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JP2018074000A - Structure used for piezoelectric element, and device using the same - Google Patents

Structure used for piezoelectric element, and device using the same Download PDF

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JP2018074000A
JP2018074000A JP2016212247A JP2016212247A JP2018074000A JP 2018074000 A JP2018074000 A JP 2018074000A JP 2016212247 A JP2016212247 A JP 2016212247A JP 2016212247 A JP2016212247 A JP 2016212247A JP 2018074000 A JP2018074000 A JP 2018074000A
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Yoshiro Tanuki
佳郎 田實
俊介 兼松
Shunsuke Kanematsu
俊介 兼松
小野 雄平
Yuhei Ono
雄平 小野
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Abstract

【課題】伸縮変形に対して選択的に応答し、効率的に利用可能な電気分極を生じさせることが可能な圧電性構造体を提供すること。【解決手段】配向した圧電性高分子を円筒形または円柱形に配置した構造体であり、該構造体の中心軸に対する圧電性高分子の配向角度が15°〜75°であり、圧電性高分子は配向軸を3軸とした時の圧電定数d14の絶対値が0.1〜1000pC/Nの値を有する結晶性高分子を含み、かつ、圧電定数d14の値が正の結晶性高分子を含むP体と、負の結晶性高分子を含むN体とを含み、構造体の中心軸が1cmの長さを持つ部分について、配向軸がZ撚り方向にらせんを巻いて配置されたP体の質量をZP、S撚り方向にらせんを巻いたP体の質量をSP、Z撚り方向にらせんを巻いたN体の質量をZN、S撚り方向にらせんを巻いたN体の質量をSNとし、(ZP+SN)と(SP+ZN)のうち小さい方をT1、大きい方をT2としたとき、T1/T2の値が0〜0.8である、構造体。【選択図】図1APROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric structure capable of selectively responding to expansion and contraction deformation and efficiently generating usable electric polarization. SOLUTION: The structure is a structure in which oriented piezoelectric polymers are arranged in a cylindrical shape or a cylindrical shape, and the orientation angle of the piezoelectric polymer with respect to the central axis of the structure is 15 ° to 75 °, and the piezoelectricity is high. The molecule contains a crystalline polymer having an absolute value of the piezoelectric constant d14 of 0.1 to 1000 pC / N when the orientation axis is three axes, and the value of the piezoelectric constant d14 is a positive crystalline polymer. A P-form containing the above and an N-form containing a negative crystalline polymer, and the orientation axis of the portion of the structure having a length of 1 cm is arranged by spiraling in the Z-twist direction. The mass of the body is ZP, the mass of the P-body with the spiral in the S-twist direction is SP, the mass of the N-body with the spiral in the Z-twist direction is ZN, and the mass of the N-body with the spiral in the S-twist direction is SN. Then, when the smaller one of (ZP + SN) and (SP + ZN) is T1 and the larger one is T2, the value of T1 / T2 is 0 to 0.8. [Selection diagram] FIG. 1A

Description

本発明は、圧電素子に用いる構造体およびそれを用いたデバイスに関する。   The present invention relates to a structure used for a piezoelectric element and a device using the same.

従来、圧電性物質を用いた素子に関する技術は多数開示されている。例えば特許文献1には導電繊維に圧電性高分子を被覆した素子について、擦りに対する電気的応答が優れていることが開示されている。また非特許文献1には圧電性高分子をコイル状に巻いた素子について、コイルの軸方向の伸縮およびコイルの軸周りのねじり変形による電気的応答例が開示されている。また特許文献2には圧電性高分子からなる繊維状物が開示されており、該繊維状物は繊維軸と平行あるいは直角の力(運動)が働いた場合に圧電効果が大きく生じると記載されている。
特許文献3の圧電シートは、圧電シートに対する伸縮変形(応力)によって電気信号を出力できる。しかしながら、そもそもシート状であるために柔軟性に乏しく、繊維や布のように自由に屈曲できるような使い方は不可能である。
Conventionally, many techniques related to elements using piezoelectric materials have been disclosed. For example, Patent Document 1 discloses that an element in which a conductive fiber is coated with a piezoelectric polymer has an excellent electrical response to rubbing. Non-Patent Document 1 discloses an electrical response example of an element in which a piezoelectric polymer is wound in a coil shape, due to expansion and contraction in the axial direction of the coil and torsional deformation around the axis of the coil. Further, Patent Document 2 discloses a fibrous material made of a piezoelectric polymer, and it is described that the piezoelectric material has a large piezoelectric effect when a force (motion) parallel or perpendicular to the fiber axis is applied. ing.
The piezoelectric sheet of Patent Document 3 can output an electric signal by expansion / contraction deformation (stress) with respect to the piezoelectric sheet. However, since it is in the form of a sheet in the first place, it is poor in flexibility, and it cannot be used in a way that it can be freely bent like fibers and cloth.

国際公開第2014/058077号International Publication No. 2014/058077 特開2000−144545号公報JP 2000-144545 A 特開2014−240842号公報JP 2014-240842 A

Japanese Journal of Applied Physics 51巻09LD16ページJapan Journal of Applied Physics, Vol. 51, page 09LD16

しかしながら上記先行技術文献には、伸縮運動に対して効率よく圧電信号を発生する一方で、伸縮運動以外の運動に対しては圧電信号を発生させないような具体的な構成については開示されていない。また、圧電信号の利用効率を高めるべく、構造体の中心軸と外側とで互いに逆極性の電荷(すなわち逆符号の電荷)を発生させるような具体的な構成についても開示されていない。したがって、センサーや吸着体などに利用できる圧電素子としての性能は不十分であった。
本発明の目的は、伸縮変形(応力)に対して選択的に応答し、効率的に利用可能な電気分極を生じさせることが可能な円筒形または円柱形の圧電性構造体を提供することにある。
However, the above-described prior art document does not disclose a specific configuration that efficiently generates a piezoelectric signal with respect to a stretching motion, but does not generate a piezoelectric signal with respect to a motion other than the stretching motion. In addition, there is no disclosure of a specific configuration that generates charges having opposite polarities (that is, charges having opposite signs) between the central axis and the outside of the structure in order to increase the use efficiency of piezoelectric signals. Therefore, the performance as a piezoelectric element that can be used for a sensor or an adsorbent is insufficient.
An object of the present invention is to provide a cylindrical or columnar piezoelectric structure capable of selectively responding to expansion / contraction deformation (stress) and efficiently generating usable electrical polarization. is there.

本発明者らは、高い圧電定数d14を有する圧電性高分子を配向させたものを、特定の向きに並べて円筒形または円柱形の構造体とすることで、伸縮変形に対して円筒形または円柱形の中心軸側と外側とに効率的に逆極性の電荷を発生させられることを発見し、本発明に到達した。   The inventors have arranged a piezoelectric polymer having a high piezoelectric constant d14 in a specific direction so as to form a cylindrical or columnar structure, so that the cylindrical or columnar structure against expansion and contraction is provided. It has been discovered that charges having opposite polarities can be efficiently generated on the central axis side and the outside of the shape, and the present invention has been achieved.

すなわち、本発明は以下の発明を包含する。
(1)配向した圧電性高分子を円筒形または円柱形に配置した構造体であり、圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形の中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度が15°以上75°以下であり、圧電性高分子は配向軸を3軸とした時の圧電定数d14の絶対値が0.1pC/N以上1000pC/N以下の値を有する結晶性高分子を主成分として含み、さらに前記圧電性高分子は、圧電定数d14の値が正の結晶性高分子を主成分として含むP体と、負の結晶性高分子を主成分として含むN体とを含み、該構造体の中心軸が1cmの長さを持つ部分について、配向軸がZ撚り方向にらせんを巻いて配置された該P体の質量をZP、配向軸がS撚り方向にらせんを巻いて配置された該P体の質量をSP、配向軸がZ撚り方向にらせんを巻いて配置された該N体の質量をZN、配向軸がS撚り方向にらせんを巻いて配置された該N体の質量をSN、とし、(ZP+SN)と(SP+ZN)とのうち小さい方をT1、大きい方をT2としたとき、T1/T2の値が0以上0.8以下である、構造体。
(2)圧電性高分子はポリ−L−乳酸またはポリ−D−乳酸を主成分として含む、(1)に記載の構造体。
(3)前記圧電性高分子は、ポリ−D−乳酸を主成分として含むP体と、ポリ−L−乳酸を主成分として含むN体とを含む、(2)に記載の構造体。
(4)前記圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形の中心軸の方向に伸縮変形が与えられた時、該円筒形または円柱形の中心軸側と外側とに逆極性の電荷が発生する、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の構造体。
(5)前記圧電性高分子は繊維状、フィラメント状またはテープ状のものが、組紐状、撚り紐状、カバリング糸状または引き揃え糸状にされて構成されている、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の構造体。
(6)前記圧電性高分子は円筒形または円柱形の中心軸に垂直な断面において1つの閉領域のみを構成している、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の構造体。
(7)(1)〜(6)のいずれか1項に記載の構造体と、前記構造体に隣接して配置された導電体と、を備える素子。
(8)前記圧電性高分子が円筒形に配置されており、該円筒形の中心軸の位置に前記導電体を配置した、(7)に記載の素子。
(9)前記導電体が導電性繊維からなり、前記圧電性高分子は圧電性繊維として前記導電性繊維の周りに組紐状に組まれて配置される、(8)に記載の素子。
(10)圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形の外側に前記導電体を配置した、(7)に記載の素子。
(11)前記導電体は導電性繊維からなり、前記圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形の周りに前記導電性繊維が組紐状に組まれて配置される、(10)に記載の素子。
(12)(7)〜(11)のいずれか1項に記載の素子と、
圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形の中心軸の方向に伸縮変形が与えられた時に発生する電荷に応じて、前記導電体にて発生する電気信号が出力される出力端子と、
前記出力端子を介して出力される電気信号を検出する電気回路と、を備えるセンサー。
That is, the present invention includes the following inventions.
(1) A structure in which oriented piezoelectric polymers are arranged in a cylindrical or cylindrical shape, and the orientation angle of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis of the cylindrical or cylindrical shape in which the piezoelectric polymers are arranged is Piezoelectric polymer is mainly a crystalline polymer having an absolute value of piezoelectric constant d14 of 0.1 pC / N or more and 1000 pC / N or less when the orientation axis is 3 axes. In addition, the piezoelectric polymer includes a P body containing a crystalline polymer having a positive piezoelectric constant d14 as a main component and an N body containing a negative crystalline polymer as a main component, For the part with the central axis of the structure having a length of 1 cm, the orientation axis is ZP and the orientation axis is spirally arranged in the S twist direction. The mass of the P body is SP, and the orientation axis is helical in the Z twist direction The mass of the N body arranged by winding is ZN, and the mass of the N body arranged by winding the helix in the S twist direction is SN, and the smaller of (ZP + SN) and (SP + ZN) A structure in which T1 / T2 is 0 or more and 0.8 or less, where T1 is T1 and the larger is T2.
(2) The structure according to (1), wherein the piezoelectric polymer contains poly-L-lactic acid or poly-D-lactic acid as a main component.
(3) The structure according to (2), wherein the piezoelectric polymer includes a P body including poly-D-lactic acid as a main component and an N body including poly-L-lactic acid as a main component.
(4) When expansion or contraction is applied in the direction of the central axis of the cylindrical or cylindrical shape where the piezoelectric polymer is disposed, charges having opposite polarities are generated on the cylindrical axial center side and the outer side. The structure according to any one of (1) to (3), which is generated.
(5) The piezoelectric polymer is formed in the form of a braid, a twisted string, a covering thread, or an aligned thread, in the form of a fiber, filament, or tape, (1) to (4) The structure according to any one of claims.
(6) The structure according to any one of (1) to (4), wherein the piezoelectric polymer constitutes only one closed region in a cross section perpendicular to a central axis of a cylindrical or columnar shape. .
(7) An element comprising the structure according to any one of (1) to (6) and a conductor disposed adjacent to the structure.
(8) The element according to (7), wherein the piezoelectric polymer is disposed in a cylindrical shape, and the conductor is disposed at a position of a central axis of the cylindrical shape.
(9) The element according to (8), wherein the conductor is made of a conductive fiber, and the piezoelectric polymer is arranged as a piezoelectric fiber in a braid shape around the conductive fiber.
(10) The element according to (7), wherein the conductor is disposed outside a cylindrical or columnar shape in which a piezoelectric polymer is disposed.
(11) The conductor according to (10), wherein the conductor is made of conductive fiber, and the conductive fiber is arranged in a braid shape around a cylindrical shape or a columnar shape in which the piezoelectric polymer is arranged. Elements.
(12) The element according to any one of (7) to (11),
An output terminal for outputting an electrical signal generated in the conductor in response to an electric charge generated when the piezoelectric polymer is arranged to expand or contract in the direction of the cylindrical or cylindrical central axis;
And an electric circuit for detecting an electric signal output via the output terminal.

本発明により、伸縮変形(応力)に対して選択的に応答し、効率的に利用可能な電気分極を生じさせることが可能な円筒形または円柱形の圧電性構造体を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a cylindrical or columnar piezoelectric structure capable of selectively responding to expansion / contraction deformation (stress) and efficiently generating usable electrical polarization.

実施形態に係る円筒形の圧電性構造体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cylindrical piezoelectric structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る円柱形の圧電性構造体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cylindrical piezoelectric structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る円筒形の圧電性構造体を示す側面図である。It is a side view which shows the cylindrical piezoelectric structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る圧電性構造体を示す側面図である。It is a side view which shows the piezoelectric structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る組紐状圧電素子の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the braided piezoelectric element which concerns on embodiment. 実施形態に係る布帛状圧電素子の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the fabric-like piezoelectric element which concerns on embodiment. 実施形態に係る圧電素子を備えるデバイスを示すブロック図である。It is a block diagram which shows a device provided with the piezoelectric element which concerns on embodiment. 実施形態に係る布帛状圧電素子を備えるデバイスの構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of a device provided with the fabric-like piezoelectric element which concerns on embodiment. 実施形態に係る布帛状圧電素子を備えるデバイスの他の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of a device provided with the fabric-like piezoelectric element which concerns on embodiment. 実施形態に係る組紐状圧電素子の断面を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the cross section of the braided piezoelectric element which concerns on embodiment. 実施形態に係る組紐状圧電素子の断面を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the cross section of the braided piezoelectric element which concerns on embodiment. 実施形態に係る組紐状圧電素子の断面を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the cross section of the braided piezoelectric element which concerns on embodiment.

(円筒形または円柱形の圧電性構造体)
本発明の構造体(圧電性構造体)は配向した圧電性高分子を含み、配向した圧電性高分子は円筒形または円柱形に配置されている。図1Aは実施形態に係る円筒形の圧電性構造体1−1を示す模式図であり、図1Bは実施形態に係る円柱形の圧電性構造体1−2を示す模式図である。圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形の底面の外縁および内縁の形状は真円が最も好ましいが、楕円形でもよいし、扁平な円形でもよい。
(Cylindrical or cylindrical piezoelectric structure)
The structure (piezoelectric structure) of the present invention includes an oriented piezoelectric polymer, and the oriented piezoelectric polymer is arranged in a cylindrical shape or a cylindrical shape. FIG. 1A is a schematic diagram illustrating a cylindrical piezoelectric structure 1-1 according to the embodiment, and FIG. 1B is a schematic diagram illustrating a cylindrical piezoelectric structure 1-2 according to the embodiment. The outer and inner edges of the cylindrical or columnar bottom surface on which the piezoelectric polymer is disposed are most preferably perfect circles, but may be elliptical or flat.

(圧電性高分子)
本発明の圧電性構造体に含まれる圧電性高分子は、一軸配向した高分子の成型体であり、配向軸を3軸とした時の圧電定数d14の絶対値が0.1pC/N以上1000pC/N以下の値を有する結晶性高分子を主成分として含む。本発明において「主成分として含む」とは、構成成分の50質量%以上を占めること指す。また、本発明において結晶性高分子とは、1質量%以上の結晶部と、結晶部以外の非晶部とからなる高分子であり、結晶性高分子の質量とは結晶部と非晶部とを合計した質量である。
本実施形態の圧電性高分子に含まれる結晶性高分子として好適に使用できる、配向軸を3軸とした時の圧電定数d14の絶対値が0.1pC/N以上1000pC/N以下の値を有する結晶性高分子としては、例えば「Piezoelectricity of biopolymers」(深田栄一、Biorheology, Vol.3,No.6, pp.593)に示されるように、セルロース、コラーゲン、ケラチン、フィブリン、ポリ−L−アラニン、ポリ−γ−メチル−L−グルタメート、ポリ−γ−ベンジル−L−グルタメート、ポリ−L−乳酸を挙げることができる。また、これらの高分子の光学異性体であるポリ−D−アラニン、ポリ−γ−メチル−D−グルタメート、ポリ−γ−ベンジル−D−グルタメート、ポリ−D−乳酸もd14の符号が逆となるが、d14の絶対値としては同等の値を取ると推定される。d14の値は成型条件や純度および測定雰囲気によって異なる値を示すが、本発明の目的を達成するには、実際に使用される圧電性高分子中の結晶性高分子の結晶化度および結晶配向度を測定し、それと同等の結晶化度および結晶配向度を有する1軸延伸フィルムを当該結晶性高分子を用いて作成し、そのフィルムのd14の絶対値が、実際に使用される温度において0.1pC/N以上1000pC/N以下の値を示せばよく、本実施形態の圧電性高分子に含まれる結晶性高分子としては、上に挙げた特定の結晶性高分子に限定されない。フィルムサンプルのd14の測定は公知の様々な方法を取ることができるが、例えばフィルムサンプルの両面に金属を蒸着して電極としたサンプルを、延伸方向から45度傾いた方向に4辺を有する長方形に切り出し、その長尺方向に引張荷重をかけた時に両面の電極に発生する電荷を測定することで、d14の値を測定することができる。
(Piezoelectric polymer)
The piezoelectric polymer contained in the piezoelectric structure of the present invention is a molded body of uniaxially oriented polymer, and the absolute value of the piezoelectric constant d14 when the orientation axis is triaxial is 0.1 pC / N or more and 1000 pC. A crystalline polymer having a value of / N or less is included as a main component. In the present invention, “including as a main component” refers to occupying 50% by mass or more of the constituent components. In the present invention, the crystalline polymer is a polymer composed of 1% by mass or more of a crystal part and an amorphous part other than the crystal part, and the mass of the crystalline polymer means the crystal part and the amorphous part. And the total mass.
The absolute value of the piezoelectric constant d14 can be suitably used as a crystalline polymer included in the piezoelectric polymer of the present embodiment, with three orientation axes, and a value of 0.1 pC / N or more and 1000 pC / N or less. Examples of the crystalline polymer having cellulose include cellulose, collagen, keratin, fibrin, poly-L-, as shown in “Piezoelectricity of biopolymers” (Eiichi Fukada, Biorheology, Vol. 3, No. 6, pp. 593). Examples include alanine, poly-γ-methyl-L-glutamate, poly-γ-benzyl-L-glutamate, and poly-L-lactic acid. In addition, poly-D-alanine, poly-γ-methyl-D-glutamate, poly-γ-benzyl-D-glutamate, and poly-D-lactic acid, which are optical isomers of these polymers, have opposite signs of d14. However, it is estimated that the absolute value of d14 takes an equivalent value. The value of d14 varies depending on molding conditions, purity, and measurement atmosphere. To achieve the object of the present invention, the crystallinity and crystal orientation of the crystalline polymer in the piezoelectric polymer actually used are used. The uniaxially stretched film having the same degree of crystallinity and crystal orientation is prepared using the crystalline polymer, and the absolute value of d14 of the film is 0 at the actually used temperature. It is only necessary to show a value of 1 pC / N or more and 1000 pC / N or less, and the crystalline polymer contained in the piezoelectric polymer of the present embodiment is not limited to the specific crystalline polymer listed above. Various known methods can be used to measure d14 of a film sample. For example, a sample having electrodes formed by vapor-depositing metal on both sides of a film sample is a rectangle having four sides in a direction inclined 45 degrees from the stretching direction. The value of d14 can be measured by measuring the charge generated in the electrodes on both sides when a tensile load is applied in the longitudinal direction.

本実施形態ではポリ−L−乳酸およびポリ−D−乳酸が特に好適に用いられる。ポリ−L−乳酸およびポリ−D−乳酸は、例えば溶融製膜後に一軸延伸によって容易に配向結晶化してd14の絶対値として10pC/Nを超える圧電性を示す。一方、代表的な圧電性高分子であるポリフッ化ビニリデン成形品の分極処理物は高いd33の圧電定数を有するが、d14の絶対値としては非常に低く、本発明の結晶性高分子としては用いることができない。   In this embodiment, poly-L-lactic acid and poly-D-lactic acid are particularly preferably used. Poly-L-lactic acid and poly-D-lactic acid, for example, are easily oriented and crystallized by uniaxial stretching after melt film formation, and exhibit piezoelectricity exceeding 10 pC / N as the absolute value of d14. On the other hand, a polarization-treated product of a polyvinylidene fluoride molded product, which is a typical piezoelectric polymer, has a high piezoelectric constant of d33, but the absolute value of d14 is very low and is used as the crystalline polymer of the present invention. I can't.

ポリ−L−乳酸、ポリ−D−乳酸はそれぞれ、同じ応力に対して分極が逆になるために、本発明では後述の通り特定の配置を取ることで、より好ましい構造体を形成することが可能となる。   Since poly-L-lactic acid and poly-D-lactic acid are reversed in polarization with respect to the same stress, a more preferable structure can be formed by taking a specific arrangement as described later in the present invention. It becomes possible.

また、圧電性高分子は他の圧電性を示さないポリマーとのアロイとして用いてもよいが、ポリ乳酸を主たる圧電性高分子として用いるならば、アロイの全質量を基準として少なくとも60質量%以上でポリ乳酸を含有していることが好ましく、さらに好ましくは70質量%以上、最も好ましくは90質量%以上である。   The piezoelectric polymer may be used as an alloy with another polymer that does not exhibit piezoelectricity, but if polylactic acid is used as the main piezoelectric polymer, at least 60% by mass or more based on the total mass of the alloy. And preferably contains polylactic acid, more preferably 70% by mass or more, and most preferably 90% by mass or more.

アロイとする場合のポリ乳酸以外のポリマーとしては、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート共重合体、ポリメタクリレート等が好適な例として挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the polymer other than polylactic acid in the case of alloy include polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate copolymer, polymethacrylate and the like, but are not limited thereto.

(圧電性高分子の配向角度)
本発明の圧電性高分子を円筒形または円柱形に配置した構造体において、圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形の中心軸(以下、単に「中心軸」と記載する)の方向に対する圧電性高分子の配向角度θは15°以上75°以下である。この条件を満たす時、圧電性構造体に対し中心軸方向の伸縮変形(引張応力および圧縮応力)を与えることで、圧電性高分子に含まれる結晶性高分子の圧電定数d14に対応する圧電効果を効率よく利用し、圧電性構造体の中心軸側と外側とに効率的に逆極性の電荷を発生させることができる。かかる観点から、中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θは25°以上65°以下であることが好ましく、35°以上55°以下であることがより好ましく、40°以上50°以下であることがさらに好ましい。このように圧電性高分子を配置すると、圧電性高分子の配向方向はらせんを描くことになる。
(Orientation angle of piezoelectric polymer)
In the structure in which the piezoelectric polymer of the present invention is arranged in a cylindrical shape or a cylindrical shape, the direction of the cylindrical or cylindrical central axis (hereinafter simply referred to as “central axis”) in which the piezoelectric polymer is arranged The orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to is 15 ° or more and 75 ° or less. When this condition is satisfied, the piezoelectric effect corresponding to the piezoelectric constant d14 of the crystalline polymer included in the piezoelectric polymer is obtained by applying expansion / contraction deformation (tensile stress and compression stress) in the central axis direction to the piezoelectric structure. Can be efficiently used, and charges of opposite polarity can be efficiently generated on the central axis side and the outside of the piezoelectric structure. From this viewpoint, the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis is preferably 25 ° or more and 65 ° or less, more preferably 35 ° or more and 55 ° or less, and 40 ° or more and 50 ° or less. More preferably it is. When the piezoelectric polymer is arranged in this way, the orientation direction of the piezoelectric polymer draws a spiral.

また、このように圧電性高分子を配置することで、圧電性構造体の表面を擦るようなせん断変形や、中心軸を曲げるような曲げ変形や、中心軸を軸としたねじり変形に対しては圧電性構造体の中心軸側と外側とには大きな電荷を発生させないようにする、即ち中心軸方向の伸縮に対して選択的に大きな電荷を発生させる圧電性構造体とすることができる。
中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θとは、圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形を側面から見た平行投影図において、該中心軸の方向と、中心軸に重なって手前にある部分の圧電性高分子の配向方向とがなす角度である。例えば図2は実施形態に係る円筒形の圧電性構造体1を側面から見た図である。図2の例において、圧電性構造体は長尺方向に配向した圧電性高分子のテープをらせん状に巻いた構造体である。中心軸CLに重なって手前にある部分のテープの配向方向を示す直線はOLであり、CLとOLのなす角θ(0度以上90度以下とする)が、中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度である。
In addition, by arranging the piezoelectric polymer in this way, it is possible to prevent shear deformation that rubs the surface of the piezoelectric structure, bending deformation that bends the central axis, and torsional deformation about the central axis. Can prevent a large charge from being generated on the central axis side and the outside of the piezoelectric structure, that is, a piezoelectric structure that selectively generates a large charge with respect to expansion and contraction in the central axis direction.
The orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis refers to the direction of the central axis and the central axis in a parallel projection view of the cylindrical or cylindrical shape in which the piezoelectric polymer is arranged as viewed from the side. The angle formed by the orientation direction of the piezoelectric polymer in the front portion. For example, FIG. 2 is the figure which looked at the cylindrical piezoelectric structure 1 which concerns on embodiment from the side surface. In the example of FIG. 2, the piezoelectric structure is a structure in which a tape of a piezoelectric polymer oriented in the longitudinal direction is spirally wound. The straight line indicating the orientation direction of the tape in front of the central axis CL is OL, and the angle θ formed between CL and OL (0 to 90 degrees) is high in piezoelectricity with respect to the direction of the central axis. This is the orientation angle of the molecule.

図2ではテープのように薄い圧電性高分子を用いているため、圧電性高分子の配向方向は側面から観察したテープ表面の配向方向に概ね一致するが、厚い圧電性高分子を用いて円筒形の圧電性構造体を作った場合や、円柱形の圧電性構造体の場合は、側面から観察できる表面の配向方向に比べ、内部の配向方向は中心軸に近づくほど中心軸の方向に近くなるため、表面の配向方向と内部の配向方向との間に差異が生じる。また、側面から観察したテープ表面の配向方向は見かけではS字あるいは逆S字を取っているため、正確な観察には高い倍率の拡大観察が必要となる。   In FIG. 2, since a thin piezoelectric polymer such as a tape is used, the orientation direction of the piezoelectric polymer is substantially the same as the orientation direction of the tape surface observed from the side, but the cylinder is formed using a thick piezoelectric polymer. In the case of forming a piezoelectric structure of a cylindrical shape, or in the case of a cylindrical piezoelectric structure, the internal orientation direction is closer to the central axis direction as it is closer to the central axis than the orientation direction of the surface that can be observed from the side. Therefore, a difference occurs between the surface orientation direction and the internal orientation direction. Moreover, since the orientation direction of the tape surface observed from the side is apparently S-shaped or inverted S-shaped, magnified observation with high magnification is required for accurate observation.

かかる観点から、中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θは、長尺方向に配向した繊維、フィラメントあるいはテープをらせん状に巻いた構造体(例えば撚糸、カバリング糸、組紐などが挙げられる)の場合、可能な限り下記の方法で測定する。圧電性構造体の側面写真を撮影し、圧電性高分子2のらせんピッチHPを測定する。らせんピッチHPは図3の通り、1本の圧電性高分子2が表面から裏面を回って再び表面に来るまでに要した、中心軸方向の直線距離である。また、必要に応じて接着剤で構造を固定後に、圧電性構造体の中心軸に垂直な断面を切り出して写真を撮影し、圧電性構造体が占める部分の外側半径Roおよび内側半径Riを測定する。断面の外縁および内縁が楕円形や扁平な円形の場合は、長径と短径の平均値をRoおよびRiとする。圧電性構造体が円柱の場合はRi=0とする。下記式から中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θを計算する。
θ = arctan(2πRm/HP) (0°≦θ≦90°)
ただしRm=2(Ro−Ri)/3(Ro−Ri)、即ち断面積で加重平均した圧電性構造体の半径である。
From this point of view, the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis may be a structure in which fibers, filaments or tape oriented in the longitudinal direction are spirally wound (for example, twisted yarn, covering yarn, braid, etc. ), Measure as much as possible by the following method. A side photograph of the piezoelectric structure is taken and the helical pitch HP of the piezoelectric polymer 2 is measured. As shown in FIG. 3, the helical pitch HP is a linear distance in the central axis direction required for one piezoelectric polymer 2 to travel from the front surface to the back surface again. In addition, after fixing the structure with an adhesive, if necessary, cut out a cross section perpendicular to the central axis of the piezoelectric structure and photograph it to measure the outer radius Ro and the inner radius Ri of the portion occupied by the piezoelectric structure. To do. When the outer edge and inner edge of the cross section are elliptical or flat, the average values of the major axis and the minor axis are Ro and Ri. Ri = 0 when the piezoelectric structure is a cylinder. The orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis is calculated from the following formula.
θ = arctan (2πRm / HP) (0 ° ≦ θ ≦ 90 °)
However, Rm = 2 (Ro 3 −Ri 3 ) / 3 (Ro 2 −Ri 2 ), that is, the radius of the piezoelectric structure weighted by the cross-sectional area.

圧電性構造体の側面写真において圧電性高分子が均一な表面を有しており、圧電性高分子のらせんピッチが判別できない場合は、接着剤等で固定した圧電性構造体を中心軸を通る平面で割断し、割断面に垂直な方向に、中心軸を通るよう十分に狭い範囲でX線を透過するよう広角X線回折分析を行い、配向方向を決定して中心軸との角度をとり、θとする。   If the piezoelectric polymer has a uniform surface in the side view of the piezoelectric structure and the helical pitch of the piezoelectric polymer cannot be determined, pass the central axis of the piezoelectric structure fixed with an adhesive or the like. Perform a wide-angle X-ray diffraction analysis to transmit X-rays in a sufficiently narrow range so as to pass through the central axis in a direction perpendicular to the fractured plane, determine the orientation direction, and take the angle with the central axis. , Θ.

組紐や多重カバリング糸のように、圧電性高分子の配向方向に沿って描かれるらせんについて、らせん方向(S撚り方向またはZ撚り方向)やらせんピッチを異にする2つ以上のらせんが同時に存在する圧電性構造体の場合は、それぞれのらせん方向およびらせんピッチの圧電性高分子についてそれぞれ上記測定を行い、いずれか一つのらせん方向およびらせんピッチの圧電性高分子が前述の条件を満たすことが必要である。   For spirals drawn along the orientation direction of a piezoelectric polymer, such as braids and multiple covering yarns, two or more spirals with different spiral directions (S twist direction or Z twist direction) and spiral pitches exist simultaneously. In the case of a piezoelectric structure, the above measurement is performed for each of the piezoelectric polymers having the respective helical directions and helical pitches, and any one of the piezoelectric polymers having the helical direction and the helical pitch satisfies the above-described conditions. is necessary.

ただし、圧電性構造体の中心軸方向の伸縮変形に対して中心軸側と外側とに発生する電荷の極性(符号)は、ある圧電性高分子の配向方向をS撚りのらせんに沿って配置した場合と、同じ圧電性高分子の配向方向をZ撚りのらせんに沿って配置した場合とでは、互いに逆の極性になるため、ある圧電性高分子の配向方向をS撚りのらせんに沿って配置すると同時にZ撚りのらせんに沿って配置した場合(例えばある圧電性高分子からなる繊維をS撚り方向の糸およびZ撚り方向の糸の両方に用いて組紐を組んだ場合)は、伸縮変形に対する発生電荷がS撚り方向とZ撚り方向とで互いに打消し合って効率的に利用できないため、好ましくない。したがって、本発明の実施態様として、圧電性高分子は、圧電定数d14の値が正の結晶性高分子を主成分として含むP体と、負の結晶性高分子を主成分として含むN体とを含み、当該圧電性構造体の中心軸が1cmの長さを持つ部分について、配向軸がZ撚り方向にらせんを巻いて配置されたP体の質量をZP、配向軸がS撚り方向にらせんを巻いて配置されたP体の質量をSP、配向軸がZ撚り方向にらせんを巻いて配置されたN体の質量をZN、配向軸がS撚り方向にらせんを巻いて配置されたN体の質量をSN、とし、(ZP+SN)と(SP+ZN)とのうち小さい方をT1、大きい方をT2としたとき、T1/T2の値が0以上0.8以下であることが好ましく、さらに0以上0.5以下であることが好ましい。特に、圧電性高分子は、ポリ−D−乳酸を主成分として含むP体と、ポリ−L−乳酸を主成分として含むN体とを含み、当該圧電性構造体の中心軸が1cmの長さを持つ部分について、配向軸がZ撚り方向にらせんを巻いて配置されたP体の質量をZP、配向軸がS撚り方向にらせんを巻いて配置されたP体の質量をSP、配向軸がZ撚り方向にらせんを巻いて配置されたN体の質量をZN、配向軸がS撚り方向にらせんを巻いて配置されたN体の質量をSNとし、(ZP+SN)と(SP+ZN)とのうち小さい方をT1、大きい方をT2としたとき、T1/T2の値が0以上0.8以下であることがより好ましく、さらに0以上0.5以下であることが好ましい。
また、ポリ−L−乳酸とポリ−D−乳酸のように、d14の符号が互いに異なる結晶性高分子を含む圧電性高分子を、S撚りまたはZ撚りの一方のらせんに沿って混合して配置すると、伸縮変形に対する発生電荷が互いに打消し合って効率的に利用できないため、好ましくない。
However, the polarity (symbol) of the charge generated on the central axis side and the outside with respect to the expansion and contraction in the central axis direction of the piezoelectric structure is determined by arranging the orientation direction of a certain piezoelectric polymer along the S-twisted helix. When the orientation direction of the same piezoelectric polymer is arranged along the Z-twisted helix, the polarities are opposite to each other. Therefore, the orientation direction of a certain piezoelectric polymer is along the S-twisted helix. When it is placed along the Z-twisted helix at the same time as it is placed (for example, when a braid is formed using both a yarn in the S-twisted direction and a yarn in the Z-twisted direction). Since the generated charges with respect to each other cancel each other in the S twist direction and the Z twist direction, it is not preferable. Therefore, as an embodiment of the present invention, the piezoelectric polymer includes a P body including a crystalline polymer having a positive piezoelectric constant d14 as a main component, and an N body including a negative crystalline polymer as a main component. In the portion where the central axis of the piezoelectric structure has a length of 1 cm, the orientation axis is ZP and the orientation axis is spiral in the S twist direction. The mass of the P body arranged by winding the SP is SP, the mass of the N body arranged by winding the spiral in the Z twist direction is ZN, and the mass of the N body arranged by winding the spiral in the S twist direction. When the mass of is Z, the smaller one of (ZP + SN) and (SP + ZN) is T1, and the larger is T2, the value of T1 / T2 is preferably 0 or more and 0.8 or less. It is preferable that it is 0.5 or more. In particular, the piezoelectric polymer includes a P-form containing poly-D-lactic acid as a main component and an N-form containing poly-L-lactic acid as a main component, and the piezoelectric structure has a long central axis of 1 cm. For the portion having a thickness, the mass of the P body arranged with the spiral in the Z twist direction is ZP, the mass of the P body arranged with the spiral in the S twist direction is SP, the orientation axis Z is the mass of the N body arranged in the Z twist direction and Z is the mass of the N body arranged in the S twist direction and the SN is the mass of the N body arranged in the S twist direction, and (ZP + SN) and (SP + ZN) Of these, when T1 is the smaller and T2 is the larger, the value of T1 / T2 is more preferably 0 or more and 0.8 or less, and further preferably 0 or more and 0.5 or less.
Also, a piezoelectric polymer containing crystalline polymers having different d14 signs, such as poly-L-lactic acid and poly-D-lactic acid, is mixed along one of the S-twisted or Z-twisted helices. Arrangement is not preferable because generated charges for expansion and contraction cancel each other and cannot be used efficiently.

(圧電性構造体の構成)
前述の通り、本発明の圧電性構造体においては、圧電性高分子の配向方向がらせんを描くように配置される。このような配置となる圧電性構造体としては特に、例えば圧電性高分子を長尺方向に配向させた繊維、フィラメントあるいはテープを用いた、撚糸、カバリング糸、組紐などが好ましい様態として挙げられる。テープを用いる場合は、テープの長尺方向以外の方向に配向させたテープを用い、らせん状に巻いたものや、長尺方向と中心軸方向を平行にして円筒を成型したものも用いることができる。生産性と配向度の向上の観点からは、延伸によって長尺方向に配向させた繊維、フィラメントあるいはテープを用いた撚糸、カバリング糸および組紐がより好ましく、構造の安定性の観点から、組紐がとりわけ好ましい。
(Configuration of piezoelectric structure)
As described above, in the piezoelectric structure according to the present invention, the orientation direction of the piezoelectric polymer is arranged to draw a spiral. Particularly preferred examples of the piezoelectric structure having such an arrangement include twisted yarns, covering yarns, braids using fibers, filaments or tapes in which a piezoelectric polymer is oriented in the longitudinal direction. When using a tape, it is possible to use a tape oriented in a direction other than the longitudinal direction of the tape, a spirally wound tape, or a cylinder molded in parallel with the longitudinal direction and the central axis direction. it can. From the standpoint of improving productivity and degree of orientation, fibers, filaments or tapes that are oriented in the longitudinal direction by stretching, twisting yarns, covering yarns, and braids are more preferable. From the viewpoint of structural stability, braids are especially preferable.

本発明の圧電性構造体は、中心軸の方向に伸縮変形を与えた時、中心軸側と外側とに逆極性の電荷が発生する。その利用形態は特に限定されず、物質の吸脱着や引力/斥力による操作、電磁波発生、生体への電気刺激などにも利用できるが、その電荷を信号やエネルギーとして効率よく取り出すため、中心軸側および/または外側に導電体を配置しておく形態がより好ましい。外側に導電体を配置する場合は、圧電性構造体の円柱形側面あるいは円筒形側面を全て覆うように導電性体を配置することが電荷の利用効率およびシールドとして利用できる点でより好ましいが、部分的にのみ導電性体を配置してもよい。
生産性、折り曲げ耐久性、構造の安定性の観点から、後述する組紐状の圧電性構造体が最も好ましい。
When the piezoelectric structure of the present invention is stretched and deformed in the direction of the central axis, charges having opposite polarities are generated on the central axis side and the outside. The form of use is not particularly limited, and it can be used for operations such as adsorption / desorption of substances, attractive / repulsive force, generation of electromagnetic waves, and electrical stimulation to living bodies. A form in which a conductor is arranged outside and / or is more preferable. In the case where the conductor is disposed outside, it is more preferable that the conductor is disposed so as to cover all the columnar side surface or the cylindrical side surface of the piezoelectric structure in terms of charge utilization efficiency and use as a shield. You may arrange | position an electroconductive body only partially.
From the viewpoint of productivity, bending durability, and structural stability, a braided piezoelectric structure described below is most preferable.

(組紐状圧電素子)
図4は実施形態に係る組紐状の圧電性構造体(以下、組紐状圧電素子と称する)の構成例を示す模式図である。
組紐状圧電素子11は、導電性繊維Bで形成された芯部13と、芯部13を被覆するように組紐状の圧電性繊維Aで形成された鞘部12と、を備えており、鞘部12は本発明における円筒形の圧電性構造体である。圧電性繊維Aは主成分としてポリ乳酸を含むことができる。
(Braided piezoelectric element)
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a braided piezoelectric structure (hereinafter referred to as a braided piezoelectric element) according to the embodiment.
The braided piezoelectric element 11 includes a core portion 13 formed of a conductive fiber B and a sheath portion 12 formed of a braided piezoelectric fiber A so as to cover the core portion 13. The part 12 is a cylindrical piezoelectric structure in the present invention. The piezoelectric fiber A can contain polylactic acid as a main component.

組紐状圧電素子11では、少なくとも一本の導電性繊維Bの外周面を多数の圧電性繊維Aが緻密に取り巻いている。組紐状圧電素子11に変形が生じると、多数の圧電性繊維Aそれぞれに変形による応力が生じ、それにより多数の圧電性繊維Aそれぞれに電場が生じ(圧電効果)、その結果、導電性繊維Bを取り巻く多数の圧電性繊維Aの電場を重畳した電圧変化が導電性繊維Bに生じるものと推測される。すなわち圧電性繊維Aの組紐状の鞘部12を用いない場合と比較して導電性繊維Bからの電気信号が増大する。それにより、組紐状圧電素子11では、比較的小さな変形で生じる応力によっても、大きな電気信号を取り出すことが可能となる。なお、導電性繊維Bは複数本であってもよい。
ここで、芯部である導電性繊維Bを経由して検出される信号強度は鞘部である圧電性繊維Aとの接触状態が変化しないことはもちろん、より強く拘束されていることが好ましい。例えば、圧電性繊維を製紐機で組む時のテンションを高くすることにより、より強く拘束された組紐を得ることができる。一方で、ポリ乳酸(PLA)繊維は強度が弱く、しかも摩擦が高いため、製紐機の糸道において繊維が単糸切れをおこし、綺麗な組紐を得ることができない場合がある。すなわち製紐工程において、繊維の巻かれたボビンを保持するキャリアが盤上を移動する経路により繊維がボビンのアキュームにより張ったり弛んだりを瞬間的に繰り返しながら組まれていくため、一般にPLA繊維は高いテンションをかけて製紐することが困難である。しかし、かかる困難は、PLA繊維に撚糸加工を施すことで改善されることがわかった。具体的には、PLA繊維に10〜5000T/mの撚数で撚糸加工を施すことが好ましい。10T/mより小さいと撚糸の効果が得られず、5000T/mより大きいと、繊維が捩じれやすくなり加工時のトラブルが起きやすくなる。また、組紐にした時の組紐の軸方向の変形に対するPLAの配向軸方向の角度が適切でなくなり、信号強度が小さくなるおそれがある。撚数は30T/m以上がより好ましく、さらに好ましくは50T/m以上である。また、撚数の上限としては3000T/m以下がより好ましく、さらに好ましくは1500T/m以下である。撚糸加工の方法は特に限定されるものではなく、公知のあらゆる撚糸加工方法が適用可能である。また、撚糸加工された繊維は、熱処理されることが好ましく、熱処理することにより撚糸状態が固定化され繊維のハンドリングがしやすくなる。熱処理の方法も特に限定されるものではなく、一般的に対象繊維のTg〜Tmの温度が好ましく選択され、湿度下で処理される場合もある。
In the braided piezoelectric element 11, a large number of piezoelectric fibers A densely surround the outer peripheral surface of at least one conductive fiber B. When the braided piezoelectric element 11 is deformed, a stress due to the deformation is generated in each of the many piezoelectric fibers A, thereby generating an electric field (piezoelectric effect) in each of the many piezoelectric fibers A. As a result, the conductive fibers B It is presumed that a voltage change is generated in the conductive fiber B by superimposing the electric fields of a large number of piezoelectric fibers A surrounding the wire. That is, the electrical signal from the conductive fiber B increases as compared with the case where the braided sheath portion 12 of the piezoelectric fiber A is not used. As a result, the braided piezoelectric element 11 can extract a large electric signal even by a stress generated by a relatively small deformation. A plurality of conductive fibers B may be used.
Here, it is preferable that the signal intensity detected via the conductive fiber B serving as the core is more strongly constrained as well as the contact state with the piezoelectric fiber A serving as the sheath does not change. For example, it is possible to obtain a braid that is more strongly constrained by increasing the tension when the piezoelectric fibers are braided by a string making machine. On the other hand, polylactic acid (PLA) fibers are weak in strength and high in friction. Therefore, there are cases where the fiber breaks a single yarn on the yarn path of the string making machine and a beautiful braid cannot be obtained. That is, in the string making process, the fiber is assembled while the fibers are stretched and loosened momentarily by the bobbin accumulator along the path on which the carrier holding the bobbin wound with the fibers moves on the board. It is difficult to string with high tension. However, it has been found that such difficulty can be improved by twisting the PLA fiber. Specifically, it is preferable to perform twist processing on the PLA fiber with a twist number of 10 to 5000 T / m. If it is less than 10 T / m, the effect of twisted yarn cannot be obtained, and if it is greater than 5000 T / m, the fibers are likely to be twisted and troubles during processing are likely to occur. In addition, the angle of the PLA in the orientation axis direction with respect to the deformation in the axial direction of the braid when the braid is formed is not appropriate, and the signal strength may be reduced. The number of twists is more preferably 30 T / m or more, and still more preferably 50 T / m or more. Moreover, as an upper limit of the number of twists, 3000 T / m or less is more preferable, More preferably, it is 1500 T / m or less. The twisting method is not particularly limited, and any known twisting method can be applied. Further, the twisted fiber is preferably heat-treated, and the heat-treated fiber fixes the twisted state and facilitates handling of the fiber. The heat treatment method is not particularly limited, and generally, the temperature of Tg to Tm of the target fiber is preferably selected, and the treatment may be performed under humidity.

ここで、圧電性繊維Aは主成分としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ポリ乳酸中の乳酸ユニットは90モル%以上であることが好ましく、95モル%以上であることがより好ましく、98モル%以上がさらに好ましい。   Here, the piezoelectric fiber A preferably contains polylactic acid as a main component. The lactic acid unit in the polylactic acid is preferably 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more, and even more preferably 98 mol% or more.

なお、組紐状圧電素子11では、本発明の目的を達成する限り、鞘部12では圧電性繊維A以外の他の繊維と組み合わせて混繊等を行ってもよいし、芯部13では導電性繊維B以外の他の繊維と組み合わせて混繊等を行ってもよい。   In the braided piezoelectric element 11, as long as the object of the present invention is achieved, the sheath portion 12 may be mixed with fibers other than the piezoelectric fiber A, and the core portion 13 may be conductive. Mixing or the like may be performed in combination with fibers other than the fiber B.

導電性繊維Bの芯部13と組紐状の圧電性繊維Aの鞘部12とで構成される組紐状圧電素子の長さは特に限定はない。例えば、その組紐状圧電素子は製造において連続的に製造され、その後に必要な長さに切断して利用してもよい。組紐状圧電素子の長さは1mm〜10m、好ましくは、5mm〜2m、より好ましくは1cm〜1mである。長さが短過ぎると繊維形状である利便性が失われ、また、長さが長過ぎると導電性繊維Bの抵抗値を考慮する必要が出てくるであろう。
以下、各構成について詳細に説明する。
The length of the braided piezoelectric element constituted by the core portion 13 of the conductive fiber B and the sheath portion 12 of the braided piezoelectric fiber A is not particularly limited. For example, the braided piezoelectric element may be manufactured continuously in manufacturing, and then cut to a required length for use. The length of the braided piezoelectric element is 1 mm to 10 m, preferably 5 mm to 2 m, more preferably 1 cm to 1 m. If the length is too short, the convenience of the fiber shape will be lost, and if the length is too long, it will be necessary to consider the resistance value of the conductive fiber B.
Hereinafter, each configuration will be described in detail.

(導電性繊維)
導電性繊維Bとしては、導電性を示すものであればよく、公知のあらゆるものが用いられる。導電性繊維Bとしては、例えば、金属繊維、導電性高分子からなる繊維、炭素繊維、繊維状あるいは粒状の導電性フィラーを分散させた高分子からなる繊維、あるいは繊維状物の表面に導電性を有する層を設けた繊維が挙げられる。繊維状物の表面に導電性を有する層を設ける方法としては、金属コート、導電性高分子コート、導電性繊維の巻付けなどが挙げられる。なかでも金属コートが導電性、耐久性、柔軟性などの観点から好ましい。金属をコートする具体的な方法としては、蒸着、スパッタ、電解メッキ、無電解メッキなどが挙げられるが生産性などの観点からメッキが好ましい。このような金属をメッキされた繊維は金属メッキ繊維ということができる。
(Conductive fiber)
As the conductive fiber B, any known fiber may be used as long as it exhibits conductivity. As the conductive fiber B, for example, metal fiber, fiber made of a conductive polymer, carbon fiber, fiber made of a polymer in which a fibrous or granular conductive filler is dispersed, or conductive on the surface of a fibrous material. The fiber which provided the layer which has is mentioned. Examples of the method for providing a conductive layer on the surface of the fibrous material include a metal coat, a conductive polymer coat, and winding of conductive fibers. Among these, a metal coat is preferable from the viewpoint of conductivity, durability, flexibility and the like. Specific methods for coating the metal include vapor deposition, sputtering, electrolytic plating, and electroless plating, but plating is preferable from the viewpoint of productivity. Such a metal-plated fiber can be referred to as a metal-plated fiber.

金属をコートされるベースの繊維として、導電性の有無によらず公知の繊維を用いることができ、例えば、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、塩化ビニル繊維、アラミド繊維、ポリスルホン繊維、ポリエーテル繊維、ポリウレタン繊維等の合成繊維の他、綿、麻、絹等の天然繊維、アセテート等の半合成繊維、レーヨン、キュプラ等の再生繊維を用いることができる。ベースの繊維はこれらに限定されるものではなく、公知の繊維を任意に用いることができ、これらの繊維を組み合わせて用いてもよい。   As a base fiber coated with a metal, a known fiber can be used regardless of conductivity, for example, polyester fiber, nylon fiber, acrylic fiber, polyethylene fiber, polypropylene fiber, vinyl chloride fiber, aramid fiber, In addition to synthetic fibers such as polysulfone fibers, polyether fibers and polyurethane fibers, natural fibers such as cotton, hemp and silk, semi-synthetic fibers such as acetate, and regenerated fibers such as rayon and cupra can be used. The base fibers are not limited to these, and known fibers can be arbitrarily used, and these fibers may be used in combination.

ベースの繊維にコートされる金属は導電性を示し、本発明の効果を奏する限り、いずれを用いてもよい。例えば、金、銀、白金、銅、ニッケル、スズ、亜鉛、パラジウム、酸化インジウム錫、硫化銅など、およびこれらの混合物や合金などを用いることができる。   Any metal may be used as long as the metal coated on the base fiber exhibits conductivity and exhibits the effects of the present invention. For example, gold, silver, platinum, copper, nickel, tin, zinc, palladium, indium tin oxide, copper sulfide, and a mixture or alloy thereof can be used.

導電性繊維Bに屈曲耐性のある金属コートした有機繊維を使用すると、導電性繊維が折れることが非常に少なく、圧電素子を用いたセンサーとしての耐久性や安全性に優れる。   When an organic fiber coated with metal having bending resistance is used for the conductive fiber B, the conductive fiber is hardly broken and excellent in durability and safety as a sensor using a piezoelectric element.

導電性繊維Bはフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントであっても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントであってもよい。マルチフィラメントの方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメント(紡績糸を含む)の場合、その単糸径は1μm〜5000μmであり、好ましくは2μm〜100μmである。さらに好ましくは3μm〜50μmである。マルチフィラメントの場合、フィラメント数としては、1本〜100000本が好ましく、より好ましくは5本〜500本、さらに好ましくは10本〜100本である。ただし、導電性繊維Bの繊度・本数とは、組紐を作製する際に用いる芯部3の繊度・本数であり、複数本の単糸(モノフィラメント)で形成されるマルチフィラメントも一本の導電性繊維Bと数えるものとする。ここで芯部3とは、導電性繊維以外の繊維を用いた場合であっても、それを含めた全体の量とする。   The conductive fiber B may be a multifilament in which a plurality of filaments are bundled, or may be a monofilament composed of a single filament. A multifilament is preferred from the viewpoint of long stability of electrical characteristics. In the case of monofilament (including spun yarn), the single yarn diameter is 1 μm to 5000 μm, preferably 2 μm to 100 μm. More preferably, it is 3 micrometers-50 micrometers. In the case of a multifilament, the number of filaments is preferably 1 to 100,000, more preferably 5 to 500, and still more preferably 10 to 100. However, the fineness and the number of the conductive fibers B are the fineness and the number of the core part 3 used when producing the braid, and the multifilament formed of a plurality of single yarns (monofilaments) is also one conductive. It shall be counted as fiber B. Here, the core portion 3 is the total amount including the fibers other than the conductive fibers.

繊維の直径が小さいと強度が低下しハンドリングが困難となり、また、直径が大きい場合にはフレキシブル性が犠牲になる。導電性繊維Bの断面形状としては円または楕円であることが、圧電素子の設計および製造の観点で好ましいが、これに限定されない。   If the diameter of the fiber is small, the strength is reduced and handling becomes difficult, and if the diameter is large, flexibility is sacrificed. The cross-sectional shape of the conductive fiber B is preferably a circle or an ellipse from the viewpoint of the design and manufacture of the piezoelectric element, but is not limited thereto.

また、圧電性高分子からの電気出力を効率よく取り出すため、電気抵抗は低いことが好ましく、体積抵抗率としては10−1Ω・cm以下であることが好ましく、より好ましくは10−2Ω・cm以下、さらに好ましくは10−3Ω・cm以下である。ただし、電気信号の検出で十分な強度が得られるのであれば導電性繊維Bの抵抗率はこの限りではない。 Moreover, in order to efficiently extract the electrical output from the piezoelectric polymer, the electrical resistance is preferably low, and the volume resistivity is preferably 10 −1 Ω · cm or less, more preferably 10 −2 Ω · cm. cm or less, more preferably 10 −3 Ω · cm or less. However, the resistivity of the conductive fiber B is not limited to this as long as sufficient strength can be obtained by detection of the electric signal.

導電性繊維Bは、本発明の用途から、繰り返しの曲げやねじりといった動きに対して耐性がなければならない。その指標としては、結節強さが、より大きいものが好まれる。結節強さはJIS L1013 8.6の方法で測定することができる。本発明に適当な結節強さの程度としては、0.5cN/dtex以上であることが好ましく、1.0cN/dtex以上であることがより好ましく、1.5cN/dtex以上であることがさらに好ましく、2.0cN/dtex以上であることが最も好ましい。また、別の指標としては、曲げ剛性が、より小さいものが好まれる。曲げ剛性は、カトーテック(株)製KES―FB2純曲げ試験機などの測定装置で測定されるのが一般的である。本発明に適当な曲げ剛性の程度としては、東邦テナックス(株)製の炭素繊維“テナックス”(登録商標)HTS40−3Kよりも小さいほうが好ましい。具体的には、導電性繊維の曲げ剛性が0.05×10−4N・m/m以下であることが好ましく、0.02×10−4N・m/m以下であることがより好ましく、0.01×10−4N・m/m以下であることがさらに好ましい。 The conductive fiber B must be resistant to movement such as repeated bending and twisting from the use of the present invention. As the index, one having a greater nodule strength is preferred. The nodule strength can be measured by the method of JIS L1013 8.6. The degree of knot strength suitable for the present invention is preferably 0.5 cN / dtex or more, more preferably 1.0 cN / dtex or more, and further preferably 1.5 cN / dtex or more. 2.0 cN / dtex or more is most preferable. As another index, one having a smaller bending rigidity is preferred. The bending rigidity is generally measured by a measuring device such as KES-FB2 pure bending tester manufactured by Kato Tech Co., Ltd. The degree of bending rigidity suitable for the present invention is preferably smaller than the carbon fiber “Tenax” (registered trademark) HTS40-3K manufactured by Toho Tenax Co., Ltd. Specifically, the bending stiffness of the conductive fiber is preferably 0.05 × 10 −4 N · m 2 / m or less, and preferably 0.02 × 10 −4 N · m 2 / m or less. More preferably, it is more preferably 0.01 × 10 −4 N · m 2 / m or less.

ポリ乳酸の光学純度は99%以上であることが好ましく、99.3%以上であることがより好ましく、99.5%以上であることがさらに好ましい。光学純度が99%未満であると著しく圧電率が低下する場合があり、圧電性繊維Aの形状変化よって十分な電気信号を得ることが難しくなる場合がある。特に、圧電性繊維Aは、主成分としてポリ−L−乳酸またはポリ−D−乳酸を含み、これらの光学純度が99%以上であることが好ましい。   The optical purity of polylactic acid is preferably 99% or more, more preferably 99.3% or more, and further preferably 99.5% or more. If the optical purity is less than 99%, the piezoelectricity may be remarkably lowered, and it may be difficult to obtain a sufficient electrical signal due to the shape change of the piezoelectric fiber A. In particular, the piezoelectric fiber A preferably contains poly-L-lactic acid or poly-D-lactic acid as a main component, and the optical purity thereof is preferably 99% or more.

ポリ乳酸を主成分とする圧電性繊維Aは、製造時に延伸されて、その繊維軸方向に一軸配向している。さらに、圧電性繊維Aは、その繊維軸方向に一軸配向しているだけでなく、ポリ乳酸の結晶を含むものであることが好ましく、一軸配向したポリ乳酸の結晶を含むものであることがより好ましい。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶性が高いことおよび一軸配向していることでより大きな圧電性を示し、d14の絶対値が高くなるためである。   The piezoelectric fiber A containing polylactic acid as a main component is drawn at the time of production and is uniaxially oriented in the fiber axis direction. Furthermore, the piezoelectric fiber A is not only uniaxially oriented in the fiber axis direction but also preferably contains polylactic acid crystals, and more preferably contains uniaxially oriented polylactic acid crystals. This is because polylactic acid exhibits higher piezoelectricity due to its high crystallinity and uniaxial orientation, and the absolute value of d14 is increased.

結晶性および一軸配向性はホモPLA結晶化度Xhomo(%)および結晶配向度Ao(%)で求められる。本発明の圧電性繊維Aとしては、ホモPLA結晶化度Xhomo(%)および結晶配向度Ao(%)が下記式(1)を満たすことが好ましい。
homo×Ao×Ao÷10≧0.26 (1)
上記式(1)を満たさない場合、結晶性および/または一軸配向性が十分でなく、動作に対する電気信号の出力値が低下したり、特定方向の動作に対する信号の感度が低下したりするおそれがある。上記式(1)の左辺の値は、0.28以上がより好ましく、0.3以上がさらに好ましい。ここで、各々の値は下記に従って求める。
Crystallinity and uniaxial orientation are determined by homo PLA crystallinity X homo (%) and crystal orientation Ao (%). As the piezoelectric fiber A of the present invention, the homo PLA crystallinity X homo (%) and the crystal orientation degree Ao (%) preferably satisfy the following formula (1).
X homo × Ao × Ao ÷ 10 6 ≧ 0.26 (1)
If the above formula (1) is not satisfied, the crystallinity and / or uniaxial orientation is not sufficient, and the output value of the electric signal with respect to the operation may decrease, or the sensitivity of the signal with respect to the operation in a specific direction may decrease. is there. The value on the left side of the formula (1) is more preferably 0.28 or more, and further preferably 0.3 or more. Here, each value is obtained according to the following.

ホモポリ乳酸結晶化度Xhomo
ホモポリ乳酸結晶化度Xhomoについては、広角X線回折分析(WAXD)による結晶構造解析から求める。広角X線回折分析(WAXD)では、リガク製ultrax18型X線回折装置を用いて透過法により、以下条件でサンプルのX線回折図形をイメージングプレートに記録する。
X線源: Cu−Kα線(コンフォーカル ミラー)
出力: 45kV×60mA
スリット: 1st:1mmΦ,2nd:0.8mmΦ
カメラ長: 120mm
積算時間: 10分
サンプル: 35mgのポリ乳酸繊維を引き揃え3cmの繊維束とする。
得られるX線回折図形において方位角にわたって全散乱強度Itotalを求め、ここで2θ=16.5°,18.5°,24.3°付近に現れるホモポリ乳酸結晶に由来する各回折ピークの積分強度の総和ΣIHMiを求める。これらの値から下式(2)に従い、ホモポリ乳酸結晶化度Xhomoを求める。
ホモポリ乳酸結晶化度Xhomo(%)=ΣIHMi/Itotal×100 (2)
なお、ΣIHMiは、全散乱強度においてバックグランドや非晶による散漫散乱を差し引くことによって算出する。
Homopolylactic acid crystallinity X homo :
The homopolylactic acid crystallinity X homo is obtained from crystal structure analysis by wide angle X-ray diffraction analysis (WAXD). In wide-angle X-ray diffraction analysis (WAXD), an X-ray diffraction pattern of a sample is recorded on an imaging plate under the following conditions by a transmission method using an Ultrax 18 type X-ray diffractometer manufactured by Rigaku.
X-ray source: Cu-Kα ray (confocal mirror)
Output: 45kV x 60mA
Slit: 1st: 1mmΦ, 2nd: 0.8mmΦ
Camera length: 120mm
Accumulation time: 10 minutes Sample: 35 mg of polylactic acid fibers are aligned to form a 3 cm fiber bundle.
In the obtained X-ray diffraction pattern, the total scattering intensity Itotal is obtained over the azimuth angle, and here, the integrated intensity of each diffraction peak derived from the homopolylactic acid crystal appearing in the vicinity of 2θ = 16.5 °, 18.5 °, 24.3 °. Is obtained as a sum ΣIHMi. From these values, the homopolylactic acid crystallinity X homo is determined according to the following formula (2).
Homopolylactic acid crystallinity X homo (%) = ΣI HMi / I total × 100 (2)
Note that ΣI HMi is calculated by subtracting diffuse scattering due to background and amorphous in the total scattering intensity.

(2)結晶配向度Ao:
結晶配向度Aoについては、上記の広角X線回折分析(WAXD)により得られるX線回折図形において、動径方向の2θ=16.5°付近に現れるホモポリ乳酸結晶に由来する回折ピークについて、方位角(°)に対する強度分布をとり、得られた分布プロファイルの半値幅の総計ΣWi(°)から次式(3)より算出する。
結晶配向度Ao(%)=(360−ΣW)÷360×100 (3)
(2) Crystal orientation degree Ao:
Regarding the crystal orientation degree Ao, in the X-ray diffraction pattern obtained by the above wide-angle X-ray diffraction analysis (WAXD), the diffraction peak derived from the homopolylactic acid crystal appearing in the vicinity of 2θ = 16.5 ° in the radial direction is oriented. The intensity distribution with respect to the angle (°) is taken, and the total half-value width Σ Wi (°) of the obtained distribution profile is calculated from the following equation (3).
Crystal orientation degree Ao (%) = (360−ΣW i ) ÷ 360 × 100 (3)

なお、ポリ乳酸は加水分解が比較的速いポリエステルであるから、耐湿熱性が問題となる場合においては、公知の、イソシアネート化合物、オキサゾリン化合物、エポキシ化合物、カルボジイミド化合物などの加水分解防止剤を添加してもよい。また、必要に応じてリン酸系化合物などの酸化防止剤、可塑剤、光劣化防止剤などを添加して物性改良してもよい。   In addition, since polylactic acid is a polyester that is hydrolyzed relatively quickly, in the case where heat and humidity resistance is a problem, a known hydrolysis inhibitor such as an isocyanate compound, an oxazoline compound, an epoxy compound, or a carbodiimide compound is added. Also good. Further, if necessary, the physical properties may be improved by adding an antioxidant such as a phosphoric acid compound, a plasticizer, a photodegradation inhibitor, and the like.

圧電性繊維Aはフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントであっても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントであってもよい。モノフィラメント(紡績糸を含む)の場合、その単糸径は1μm〜5mmであり、好ましくは5μm〜2mm、さらに好ましくは10μm〜1mmである。マルチフィラメントの場合、その単糸径は0.1μm〜5mmであり、好ましくは2μm〜100μm、さらに好ましくは3μm〜50μmである。マルチフィラメントのフィラメント数としては、1本〜100000本が好ましく、より好ましくは50本〜50000本、さらに好ましくは100本〜20000本である。ただし、圧電性繊維Aの繊度や本数については、組紐を作製する際のキャリア1つあたりの繊度、本数であり、複数本の単糸(モノフィラメント)で形成されるマルチフィラメントも一本の圧電性繊維Aと数えるものとする。ここで、キャリア1つの中に、圧電性繊維以外の繊維を用いた場合であっても、それを含めた全体の量とする。   The piezoelectric fiber A may be a multifilament in which a plurality of filaments are bundled, or may be a monofilament composed of a single filament. In the case of monofilament (including spun yarn), the single yarn diameter is 1 μm to 5 mm, preferably 5 μm to 2 mm, and more preferably 10 μm to 1 mm. In the case of a multifilament, the single yarn diameter is 0.1 μm to 5 mm, preferably 2 μm to 100 μm, and more preferably 3 μm to 50 μm. The number of filaments of the multifilament is preferably 1 to 100,000, more preferably 50 to 50,000, and still more preferably 100 to 20,000. However, the fineness and the number of the piezoelectric fibers A are the fineness and the number per carrier when producing the braid, and the multifilament formed by a plurality of single yarns (monofilaments) is also one piezoelectric. It shall be counted as fiber A. Here, even if a fiber other than the piezoelectric fiber is used in one carrier, the total amount including that is used.

このような圧電性高分子を圧電性繊維Aとするためには、高分子から繊維化するための公知の手法を、本発明の効果を奏する限りいずれも採用することができる。例えば、圧電性高分子を押し出し成型して繊維化する手法、圧電性高分子を溶融紡糸して繊維化する手法、圧電性高分子を乾式あるいは湿式紡糸により繊維化する手法、圧電性高分子を静電紡糸により繊維化する手法、フィルムを形成した後に細くカットする手法、などを採用することができる。これらの紡糸条件は、採用する圧電性高分子に応じて公知の手法を適用すればよく、通常は工業的に生産の容易な溶融紡糸法を採用すればよい。さらに、繊維を形成後には形成された繊維を延伸する。それにより一軸延伸配向しかつ結晶を含む大きな圧電性を示す圧電性繊維Aが形成される。   In order to use such a piezoelectric polymer as the piezoelectric fiber A, any known technique for forming a fiber from the polymer can be employed as long as the effects of the present invention are exhibited. For example, a method of extruding a piezoelectric polymer to form a fiber, a method of melt-spinning a piezoelectric polymer to make a fiber, a method of making a piezoelectric polymer fiber by dry or wet spinning, a method of making a piezoelectric polymer A technique of forming fibers by electrostatic spinning, a technique of cutting thinly after forming a film, and the like can be employed. As these spinning conditions, a known method may be applied according to the piezoelectric polymer to be employed, and a melt spinning method that is industrially easy to produce is usually employed. Furthermore, after forming the fiber, the formed fiber is stretched. As a result, a piezoelectric fiber A that is uniaxially oriented and exhibits large piezoelectricity including crystals is formed.

また、圧電性繊維Aは、上記のように作製されたものを組紐とする前に、染色、撚糸、合糸、熱処理などの処理をすることができる。   In addition, the piezoelectric fiber A can be subjected to treatments such as dyeing, twisting, blending, and heat treatment before making the braided braid as described above.

さらに、圧電性繊維Aは、組紐を形成する際に繊維同士が擦れて断糸したり、毛羽が出たりする場合があるため、その強度と耐摩耗性は高い方が好ましく、強度は1.5cN/dtex以上であることが好ましく、2.0cN/dtex以上であることがより好ましく、2.5cN/dtex以上であることがさらに好ましく、3.0cN/dtex以上であることが最も好ましい。耐摩耗性は、JIS L1095 9.10.2 B法などで評価することができ、摩擦回数は100回以上が好ましく、1000回以上であることがより好ましく、5000回以上であることがさらに好ましく、10000回以上であることが最も好ましい。耐摩耗性を向上させるための方法は特に限定されるものではなく、公知のあらゆる方法を用いることができ、例えば、結晶化度を向上させたり、微粒子を添加したり、表面加工したりすることができる。また、組紐に加工する際に、繊維に潤滑剤を塗布して摩擦を低減させることもできる。   Furthermore, since the piezoelectric fiber A may be broken when the braid is formed, the piezoelectric fiber A may be cut off or fluff may come out, so that the strength and wear resistance are preferably high. It is preferably 5 cN / dtex or more, more preferably 2.0 cN / dtex or more, further preferably 2.5 cN / dtex or more, and most preferably 3.0 cN / dtex or more. The abrasion resistance can be evaluated by JIS L1095 9.10.2 B method, etc., and the number of friction is preferably 100 times or more, more preferably 1000 times or more, and further preferably 5000 times or more. Most preferably, it is 10,000 times or more. The method for improving the wear resistance is not particularly limited, and any known method can be used. For example, the crystallinity is improved, fine particles are added, or the surface is processed. Can do. In addition, when processing into braids, a lubricant can be applied to the fibers to reduce friction.

また、圧電性繊維の収縮率は、前述した導電性繊維の収縮率との差が小さいことが好ましい。収縮率差が大きいと、組紐作製後や布帛作製後の後処理工程や実使用時に熱がかかった時や経時変化により組紐が曲がったり、布帛の平坦性が悪くなったり、圧電信号が弱くなってしまう場合がある。収縮率を後述の沸水収縮率で定量化した場合、圧電性繊維の沸水収縮率S(p)および導電性繊維の沸水収縮率S(c)が下記式(4)を満たすことが好適である。
|S(p)−S(c)|≦10 (4)
上記式(4)の左辺は5以下であることがより好ましく、3以下であればさらに好ましい。
Moreover, it is preferable that the shrinkage rate of the piezoelectric fiber is small from the shrinkage rate of the conductive fiber described above. If the difference in shrinkage rate is large, the braid may bend due to heat treatment during post-fabrication after fabric production or after fabric production or during actual use, or due to changes over time, the flatness of the fabric may deteriorate, or the piezoelectric signal will become weak. May end up. When the shrinkage rate is quantified by the boiling water shrinkage rate described later, it is preferable that the boiling water shrinkage rate S (p) of the piezoelectric fiber and the boiling water shrinkage rate S (c) of the conductive fiber satisfy the following formula (4). .
| S (p) −S (c) | ≦ 10 (4)
The left side of the above formula (4) is more preferably 5 or less, and even more preferably 3 or less.

また、圧電性繊維の収縮率は、導電性繊維以外の繊維、例えば絶縁性繊維の収縮率との差も小さいことが好ましい。収縮率差が大きいと、組紐作製後や布帛作製後の後処理工程や実使用時に熱がかかった時や経時変化により組紐が曲がったり、布帛の平坦性が悪くなったり、圧電信号が弱くなってしまう場合がある。収縮率を沸水収縮率で定量化した場合、圧電性繊維の沸水収縮率S(p)および絶縁性繊維の沸水収縮率S(i)が下記式(5)を満たすことが好適である。
|S(p)−S(i)|≦10 (5)
上記式(5)の左辺は5以下であることがより好ましく、3以下であればさらに好ましい。
Further, it is preferable that the contraction rate of the piezoelectric fiber is small in difference from the contraction rate of fibers other than the conductive fibers, for example, insulating fibers. If the difference in shrinkage rate is large, the braid may bend due to heat treatment during post-fabrication after fabric production or after fabric production or during actual use, or due to changes over time, the flatness of the fabric may deteriorate, or the piezoelectric signal will become weak. May end up. When the shrinkage rate is quantified by the boiling water shrinkage rate, it is preferable that the boiling water shrinkage rate S (p) of the piezoelectric fiber and the boiling water shrinkage rate S (i) of the insulating fiber satisfy the following formula (5).
| S (p) −S (i) | ≦ 10 (5)
The left side of the above formula (5) is more preferably 5 or less, and even more preferably 3 or less.

また、圧電性繊維の収縮率は小さい方が好ましい。例えば収縮率を沸水収縮率で定量化した場合、圧電性繊維の収縮率は15%以下であることが好ましく、より好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下、最も好ましくは3%以下である。収縮率を下げる手段としては、公知のあらゆる方法を適用することができ、例えば、熱処理により非晶部の配向緩和や結晶化度を上げることにより収縮率を低減することができ、熱処理を実施するタイミングは特に限定されず、延伸後、撚糸後、組紐化後、布帛化後などが挙げられる。なお、上述の沸水収縮率は以下の方法で測定するものとする。枠周1.125mの検尺機で捲数20回のカセを作り、0.022cN/dtexの荷重を掛けて、スケール板に吊るして初期のカセ長L0を測定した。その後、このカセを100℃の沸騰水浴中で30分間処理後、放冷し再び上記荷重を掛けてスケール板に吊るし収縮後のカセ長長Lを測定した。測定されたL0およびLを用いて下記式(6)により沸水収縮率を計算する。
沸水収縮率=(L0−L)/L0×100(%) (6)
Further, it is preferable that the shrinkage rate of the piezoelectric fiber is small. For example, when the shrinkage rate is quantified by boiling water shrinkage rate, the shrinkage rate of the piezoelectric fiber is preferably 15% or less, more preferably 10% or less, further preferably 5% or less, and most preferably 3% or less. is there. As a means for lowering the shrinkage rate, any known method can be applied. For example, the shrinkage rate can be reduced by relaxing the orientation of the amorphous part or increasing the crystallinity by heat treatment, and the heat treatment is performed. The timing is not particularly limited, and examples thereof include after stretching, after twisting, after braiding, and after forming into a fabric. In addition, the above-mentioned boiling water shrinkage shall be measured with the following method. A casserole of 20 times was made with a measuring machine having a frame circumference of 1.125 m, a load of 0.022 cN / dtex was applied, it was hung on a scale plate, and the initial casket length L0 was measured. After that, this casserole was treated in a boiling water bath at 100 ° C. for 30 minutes, allowed to cool, and again subjected to the above load and hung on the scale plate to measure the length L after shrinkage. Using the measured L0 and L, the boiling water shrinkage is calculated by the following equation (6).
Boiling water shrinkage = (L0−L) / L0 × 100 (%) (6)

(被覆)
導電性繊維B、すなわち芯部13は、圧電性繊維A、すなわち組紐状の鞘部12で表面が被覆されている。導電性繊維Bを被覆する鞘部12の厚みは1μm〜10mmであることが好ましく、5μm〜5mmであることがより好ましく、10μm〜3mmであることがさらに好ましい、20μm〜1mmであることが最も好ましい。薄すぎると強度の点で問題となる場合があり、また、厚すぎると組紐状圧電素子11が硬くなり変形し難くなる場合がある。なお、ここで言う鞘部12とは芯部13に隣接する層のことを指す。
(Coating)
The surface of the conductive fiber B, that is, the core portion 13 is covered with the piezoelectric fiber A, that is, the braided sheath portion 12. The thickness of the sheath 12 that covers the conductive fiber B is preferably 1 μm to 10 mm, more preferably 5 μm to 5 mm, still more preferably 10 μm to 3 mm, and most preferably 20 μm to 1 mm. preferable. If it is too thin, there may be a problem in terms of strength. If it is too thick, the braided piezoelectric element 11 may become hard and difficult to deform. In addition, the sheath part 12 said here refers to the layer adjacent to the core part 13. FIG.

組紐状圧電素子11において、鞘部12の圧電性繊維Aの総繊度は、芯部13の導電性繊維Bの総繊度の1/2倍以上、20倍以下であることが好ましく、1倍以上、15倍以下であることがより好ましく、2倍以上、10倍以下であることがさらに好ましい。圧電性繊維Aの総繊度が導電性繊維Bの総繊度に対して小さ過ぎると、導電性繊維Bを囲む圧電性繊維Aが少な過ぎて導電性繊維Bが十分な電気信号を出力できず、さらに導電性繊維Bが近接する他の導電性繊維に接触するおそれがある。圧電性繊維Aの総繊度が導電性繊維Bの総繊度に対して大き過ぎると、導電性繊維Bを囲む圧電性繊維Aが多過ぎて組紐状圧電素子11が硬くなり変形し難くなる。すなわち、いずれの場合にも組紐状圧電素子11がセンサーとして十分に機能しなくなる。
ここでいう総繊度とは、鞘部12を構成する圧電性繊維A全ての繊度の和であり、例えば、一般的な8打組紐の場合には、8本の繊維の繊度の総和となる。
In the braided piezoelectric element 11, the total fineness of the piezoelectric fibers A in the sheath 12 is preferably not less than 1/2 times and not more than 20 times the total fineness of the conductive fibers B in the core portion 13, and more than 1 times. 15 times or less, more preferably 2 times or more and 10 times or less. If the total fineness of the piezoelectric fiber A is too small relative to the total fineness of the conductive fiber B, the piezoelectric fiber A surrounding the conductive fiber B is too small and the conductive fiber B cannot output a sufficient electrical signal, Furthermore, there exists a possibility that the conductive fiber B may contact the other conductive fiber which adjoins. If the total fineness of the piezoelectric fiber A is too large relative to the total fineness of the conductive fiber B, there are too many piezoelectric fibers A surrounding the conductive fiber B, and the braided piezoelectric element 11 becomes hard and difficult to deform. That is, in any case, the braided piezoelectric element 11 does not sufficiently function as a sensor.
The total fineness referred to here is the sum of the finenesses of all the piezoelectric fibers A constituting the sheath portion 12. For example, in the case of a general 8-strand braid, it is the sum of the finenesses of 8 fibers.

また、組紐状圧電素子11において、鞘部12の圧電性繊維Aの一本あたりの繊度は、導電性繊維Bの総繊度の1/20倍以上、2倍以下であることが好ましく、1/15倍以上、1.5倍以下であることがより好ましく、1/10倍以上、1倍以下であることがさらに好ましい。圧電性繊維A一本あたりの繊度が導電性繊維Bの総繊度に対して小さ過ぎると、圧電性繊維Aが少な過ぎて導電性繊維Bが十分な電気信号を出力できず、さらに圧電性繊維Aが切断するおそれがある。圧電性繊維A一本あたりの繊度が導電性繊維Bの総繊度に対して大き過ぎると、圧電性繊維Aが太過ぎて組紐状圧電素子11が硬くなり変形し難くなる。すなわち、いずれの場合にも組紐状圧電素子11がセンサーとして十分に機能しなくなる。   In the braided piezoelectric element 11, the fineness per piezoelectric fiber A of the sheath 12 is preferably 1/20 or more and 2 or less the total fineness of the conductive fiber B. It is more preferably 15 times or more and 1.5 times or less, and further preferably 1/10 time or more and 1 time or less. If the fineness per piezoelectric fiber A is too small with respect to the total fineness of the conductive fiber B, the piezoelectric fiber A is too small and the conductive fiber B cannot output a sufficient electric signal. A may be cut off. If the fineness per piezoelectric fiber A is too large relative to the total fineness of the conductive fiber B, the piezoelectric fiber A is too thick and the braided piezoelectric element 11 becomes hard and difficult to deform. That is, in any case, the braided piezoelectric element 11 does not sufficiently function as a sensor.

なお、導電性繊維Bに金属繊維を用いた場合や、金属繊維を導電性繊維Aあるいは圧電性繊維Bに混繊した場合は、繊度の比率は上記の限りではない。本発明において、上記比率は、接触面積や被覆率、すなわち、面積および体積の観点で重要であるからである。例えば、それぞれの繊維の比重が2を超えるような場合には、繊維の平均断面積の比率が上記繊度の比率であることが好ましい。   In addition, when a metal fiber is used for the conductive fiber B, or when the metal fiber is mixed with the conductive fiber A or the piezoelectric fiber B, the fineness ratio is not limited to the above. This is because, in the present invention, the ratio is important in terms of contact area and coverage, that is, area and volume. For example, when the specific gravity of each fiber exceeds 2, it is preferable that the ratio of the average cross-sectional area of the fiber is the ratio of the fineness.

圧電性繊維Aと導電性繊維Bとはできるだけ密着していることが好ましいが、密着性を改良するために、導電性繊維Bと圧電性繊維Aとの間にアンカー層や接着層などを設けてもよい。   Although it is preferable that the piezoelectric fiber A and the conductive fiber B are as close as possible, an anchor layer or an adhesive layer is provided between the conductive fiber B and the piezoelectric fiber A in order to improve the adhesiveness. May be.

被覆の方法は導電性繊維Bを芯糸として、その周りに圧電性繊維Aを組紐状に巻きつける方法が取られる。一方、圧電性繊維Aの組紐の形状は、印加された荷重で生じる応力に対して電気信号を出力することが出来れば特に限定されるものではないが、芯部13を有する8打組紐や16打組紐が好ましい。   The covering method is a method in which the conductive fiber B is used as a core yarn, and the piezoelectric fiber A is wound around in a braid shape around the conductive fiber B. On the other hand, the shape of the braid of the piezoelectric fiber A is not particularly limited as long as an electric signal can be output with respect to the stress generated by the applied load. A braided string is preferred.

導電性繊維Bと圧電性繊維Aの形状としては特に限定されるものではないが、できるだけ同心円状に近いことが、好ましい。なお、導電性繊維Bとしてマルチフィラメントを用いる場合、圧電性繊維Aは、導電性繊維Bのマルチフィラメントの表面(繊維周面)の少なくとも一部が接触しているように被覆していればよく、マルチフィラメントを構成するすべてのフィラメント表面(繊維周面)に圧電性繊維Aが被覆していてもよいし、被覆していなくともよい。導電性繊維Bのマルチフィラメントを構成する内部の各フィラメントへの圧電性繊維Aの被覆状態は、圧電性素子としての性能、取扱い性等を考慮して、適宜設定すればよい。   The shape of the conductive fiber B and the piezoelectric fiber A is not particularly limited, but is preferably as close to a concentric circle as possible. When a multifilament is used as the conductive fiber B, the piezoelectric fiber A only needs to be covered so that at least a part of the surface (fiber peripheral surface) of the multifilament of the conductive fiber B is in contact. The piezoelectric fibers A may or may not be coated on all filament surfaces (fiber peripheral surfaces) constituting the multifilament. What is necessary is just to set suitably the covering state of the piezoelectric fiber A to each internal filament which comprises the multifilament of the conductive fiber B, considering the performance as a piezoelectric element, the handleability, etc.

本発明の組紐状圧電素子11は、その表面に電極を存在させる必要が無いため、組紐状圧電素子11自体をさらに被覆する必要がなく、また、誤動作しにくいという利点がある。   The braided piezoelectric element 11 of the present invention does not require an electrode to be present on the surface thereof, so that it is not necessary to further cover the braided piezoelectric element 11 itself, and there is an advantage that malfunction is unlikely.

(製造方法)
本発明の組紐状圧電素子11は少なくとも1本の導電性繊維Bの表面を組紐状の圧電性繊維Aで被覆しているが、その製造方法としては例えば以下の方法が挙げられる。すなわち、導電性繊維Bと圧電性繊維Aを別々の工程で作製し、導電性繊維Bに圧電性繊維Aを組紐状に巻きつけて被覆する方法である。この場合には、できるだけ同心円状に近くなるように被覆することが好ましい。
(Production method)
The braided piezoelectric element 11 of the present invention covers the surface of at least one conductive fiber B with the braided piezoelectric fiber A. Examples of the manufacturing method include the following methods. In other words, the conductive fiber B and the piezoelectric fiber A are produced in separate steps, and the conductive fiber B is wrapped around the conductive fiber B in a braid shape and covered. In this case, it is preferable to coat so as to be as concentric as possible.

この場合、圧電性繊維Aを形成する圧電性高分子としてポリ乳酸を用いる場合の好ましい紡糸、延伸条件として、溶融紡糸温度は150℃〜250℃が好ましく、延伸温度は40℃〜150℃が好ましく、延伸倍率は1.1倍から5.0倍が好ましく、結晶化温度は80℃〜170℃が好ましい。   In this case, as preferred spinning and stretching conditions when polylactic acid is used as the piezoelectric polymer for forming the piezoelectric fiber A, the melt spinning temperature is preferably 150 ° C. to 250 ° C., and the stretching temperature is preferably 40 ° C. to 150 ° C. The draw ratio is preferably 1.1 to 5.0 times, and the crystallization temperature is preferably 80 ° C to 170 ° C.

導電性繊維Bに巻きつける圧電性繊維Aとしては、複数のフィラメントを束ねたマルチフィラメントを用いてもよく、また、モノフィラメント(紡績糸を含む)を用いても良い。また、圧電性繊維Aを巻きつけられる導電性繊維Bとしては、複数のフィラメントを束ねたマルチフィラメントを用いてもよく、また、モノフィラメント(紡績糸を含む)を用いても良い。また、導電性繊維Bは撚糸加工していてもよい。   As the piezoelectric fiber A wound around the conductive fiber B, a multifilament in which a plurality of filaments are bundled may be used, or a monofilament (including spun yarn) may be used. In addition, as the conductive fiber B around which the piezoelectric fiber A is wound, a multifilament in which a plurality of filaments are bundled may be used, or a monofilament (including spun yarn) may be used. Further, the conductive fiber B may be twisted.

被覆の好ましい形態としては、導電性繊維Bを芯糸とし、その周囲に圧電性繊維Aを組紐状に製紐して、丸打組物(Tubular Braid)を作製することで被覆することができる。より具体的には芯部13を有する8打組紐や16打組紐が挙げられる。この際、圧電性繊維Aには撚糸加工された繊維が用いることが好ましいが、すべての圧電性繊維が撚糸加工されていてもよいし、一部が撚糸加工されていてもよい。また、圧電性繊維Aの撚糸方向は、用いる圧電性繊維A全てが同じ方向である必要はない。例えば、製紐時に時計回り方向に回る繊維に、S撚糸加工したものを、反時計方向に回る繊維にZ撚糸加工したものを用いることができる。また、例えば8打組紐の場合、8本すべてが圧電性繊維である必要はなく、目的とする信号強度が得られる範囲であれば別の繊維を用いることができる。もちろん、芯部の導電繊維、シールド層となる導電繊維に撚糸加工されたものを用いてもよい。ただし、例えば、圧電性繊維Aを編組チューブのような形態とし、導電性繊維Bを芯として当該編組チューブに挿入することで被覆してもよい。   As a preferable form of the coating, the conductive fiber B can be used as a core yarn, and the piezoelectric fiber A can be formed in a braid shape around the conductive fiber B to form a round braid. . More specifically, an 8-strand braid having 16 cores and a 16-strand braid. At this time, it is preferable to use a twisted fiber for the piezoelectric fiber A, but all the piezoelectric fibers may be twisted or a part of them may be twisted. Moreover, the twist direction of the piezoelectric fiber A does not need to be the same direction for all the piezoelectric fibers A to be used. For example, it is possible to use a fiber that rotates in the clockwise direction during stringing, and a fiber that rotates in the counterclockwise direction and a fiber that rotates in the counterclockwise direction. Further, for example, in the case of an 8-strand braid, not all of the 8 need to be piezoelectric fibers, and other fibers can be used as long as the desired signal strength is obtained. Of course, the conductive fibers of the core part and the conductive fibers to be the shield layer may be twisted. However, for example, the piezoelectric fiber A may be shaped like a braided tube, and the conductive fiber B may be used as a core and inserted into the braided tube.

以上のような製造方法により、導電性繊維Bの表面を組紐状の圧電性繊維Aで被覆した組紐状圧電素子11を得ることができる。   By the manufacturing method as described above, the braided piezoelectric element 11 in which the surface of the conductive fiber B is covered with the braided piezoelectric fiber A can be obtained.

本発明の組紐状圧電素子11は、表面に電気信号を検出するための電極の形成を必要としないため、比較的簡単に製造することができる。   Since the braided piezoelectric element 11 of the present invention does not require the formation of an electrode for detecting an electric signal on the surface, it can be manufactured relatively easily.

(保護層)
本発明の組紐状圧電素子11の最表面には保護層を設けてもよい。この保護層は絶縁性であることが好ましく、フレキシブル性などの観点から高分子からなるものがより好ましい。保護層に絶縁性を持たせる場合には、もちろん、この場合には保護層ごと変形させたり、保護層上を擦ったりすることになるが、これらの外力が圧電性繊維Aまで到達し、その分極を誘起できるものであれば特に限定はない。保護層としては、高分子などのコーティングによって形成されるものに限定されず、フィルム、布帛、繊維などを巻付けてもよく、あるいは、それらが組み合わされたものであってもよい。
(Protective layer)
A protective layer may be provided on the outermost surface of the braided piezoelectric element 11 of the present invention. This protective layer is preferably insulative, and more preferably made of a polymer from the viewpoint of flexibility. In the case of providing the protective layer with insulation, of course, in this case, the entire protective layer is deformed or rubbed on the protective layer, but these external forces reach the piezoelectric fiber A, There is no particular limitation as long as it can induce polarization. The protective layer is not limited to those formed by coating with a polymer or the like, and may be a film, fabric, fiber or the like, or a combination thereof.

保護層の厚みとしては出来るだけ薄い方が、せん断応力を圧電性繊維Aに伝えやすいが、薄すぎると保護層自体が破壊される等の問題が発生しやすくなるため、好ましくは10nm〜200μm、より好ましくは50nm〜50μm、さらに好ましくは70nm〜30μm、最も好ましくは100nm〜10μmである。この保護層により圧電素子の形状を形成することもできる。   The thinner the protective layer is, the easier it is to transmit shear stress to the piezoelectric fiber A. However, if it is too thin, problems such as destruction of the protective layer itself are likely to occur, and preferably 10 nm to 200 μm. More preferably, they are 50 nm-50 micrometers, More preferably, they are 70 nm-30 micrometers, Most preferably, they are 100 nm-10 micrometers. The shape of the piezoelectric element can also be formed by this protective layer.

また、ノイズ低減を目的として電磁波シールド層を組紐構造に取り入れることも可能である。電磁波シールド層は特に限定されるものではないが、導電性の物質をコーティングしてもよいし、導電性を有するフィルム、布帛、繊維などを巻付けてもよい。電磁波シールド層の体積抵抗率としては10−1Ω・cm以下であることが好ましく、より好ましくは10−2Ω・cm以下、さらに好ましくは10−3Ω・cm以下である。ただし、電磁波シールド層の効果が得られるのであれば抵抗率はこの限りではない。この電磁波シールド層は、鞘の圧電性繊維Aの表面に設けてもよく、前述の保護層の外側に設けてもよい。もちろん、電磁波シールド層と保護層が複数層積層されていてもよく、その順番も目的に応じて適宜決められる。 It is also possible to incorporate an electromagnetic shielding layer into the braid structure for the purpose of noise reduction. The electromagnetic wave shielding layer is not particularly limited, but may be coated with a conductive substance, or may be wound with a conductive film, fabric, fiber, or the like. The volume resistivity of the electromagnetic wave shielding layer is preferably 10 −1 Ω · cm or less, more preferably 10 −2 Ω · cm or less, and still more preferably 10 −3 Ω · cm or less. However, the resistivity is not limited as long as the effect of the electromagnetic wave shielding layer can be obtained. This electromagnetic wave shielding layer may be provided on the surface of the piezoelectric fiber A of the sheath, or may be provided outside the protective layer described above. Of course, a plurality of layers of electromagnetic shielding layers and protective layers may be laminated, and the order thereof is appropriately determined according to the purpose.

さらには、圧電性繊維からなる層を複数層設けたり、信号を取り出すための導電性繊維からなる層を複数層設けたりすることもできる。もちろん、これらの保護層、電磁波シールド層、圧電性繊維からなる層、導電性繊維からなる層は、その目的に応じて、その順番および層数は適宜決められる。なお、巻付ける方法としては、鞘部12のさらに外層に組紐構造を形成したり、カバーリングしたりする方法が挙げられる。
上記のように圧電性構造体の中心軸側および外側に導電体を配置した場合は、中心軸側の導電体と外側の導電体とを2極の電極として圧電性高分子(誘電体)を挟んだコンデンサ状の圧電素子とみなすことができる。変形により圧電性構造体に発生する分極に誘起される電気信号を効果的に取り出すため、これらの電極間の絶縁抵抗の値としては、3Vの直流電圧で測定したとき、1MΩ以上であることが好ましく、10MΩ以上であることがより好ましく、100MΩ以上であることがさらに好ましい。また、これらの電極間に1MHzの交流電圧を与えた時の応答を解析して得られる、等価直列抵抗の値Rsおよび等価直列容量Csの値についても、変形により圧電性構造体に発生する分極に誘起される電気信号を効果的に取り出し、応答性を良くするため、特定の値の範囲内であることが好ましい。即ち、Rsの値は1μΩ以上100kΩ以下が好ましく、1mΩ以上10kΩ以下がより好ましく、1mΩ以上1kΩ以下であることがさらに好ましく、Csの値を圧電性構造体の中心軸方向の長さ(cm)で割った値として、0.1pF以上1000pF以下が好ましく、0.2pF以上100pF以下がより好ましく、0.4pF以上10pF以下がさらに好ましい。
上記の通り、圧電性構造体と電極からなる素子が好ましい状態で動作可能な場合、これらの電極間に1MHzの交流電圧を与えた時の応答を解析して得られる、等価直列抵抗の値Rsおよび等価直列容量Csの値は特定の範囲内の値を取るので、これらの値を圧電性構造体の検査に用いることも好ましい。また、交流電圧による解析で得られるRsおよびCsの値のみならず、その他の電気的刺激に対する過渡応答を解析することで圧電性構造体の検査を行うこともできる。
Furthermore, a plurality of layers made of piezoelectric fibers can be provided, or a plurality of layers made of conductive fibers for extracting signals can be provided. Of course, the order and the number of layers of these protective layers, electromagnetic wave shielding layers, layers made of piezoelectric fibers, and layers made of conductive fibers are appropriately determined according to the purpose. In addition, as a method of winding, the method of forming a braid structure in the outer layer of the sheath part 12 or covering is mentioned.
When conductors are arranged on the central axis side and the outside of the piezoelectric structure as described above, a piezoelectric polymer (dielectric material) is formed using the conductor on the center axis side and the outer conductor as two electrodes. It can be regarded as a sandwiched capacitor-like piezoelectric element. In order to effectively extract an electrical signal induced by polarization generated in the piezoelectric structure due to deformation, the value of the insulation resistance between these electrodes should be 1 MΩ or more when measured at a DC voltage of 3V. Preferably, it is 10 MΩ or more, more preferably 100 MΩ or more. In addition, the equivalent series resistance value Rs and equivalent series capacitance Cs obtained by analyzing the response when an AC voltage of 1 MHz is applied between these electrodes are also polarized in the piezoelectric structure due to deformation. In order to effectively extract an electrical signal induced in the light and improve responsiveness, it is preferably within a specific value range. That is, the value of Rs is preferably 1 μΩ or more and 100 kΩ or less, more preferably 1 mΩ or more and 10 kΩ or less, further preferably 1 mΩ or more and 1 kΩ or less, and the value of Cs is the length (cm) in the central axis direction of the piezoelectric structure. The value divided by is preferably from 0.1 pF to 1000 pF, more preferably from 0.2 pF to 100 pF, and even more preferably from 0.4 pF to 10 pF.
As described above, when an element including a piezoelectric structure and an electrode can operate in a preferable state, an equivalent series resistance value Rs obtained by analyzing a response when an AC voltage of 1 MHz is applied between these electrodes. Since the value of the equivalent series capacitance Cs takes a value within a specific range, it is also preferable to use these values for the inspection of the piezoelectric structure. Further, the piezoelectric structure can be inspected by analyzing not only the values of Rs and Cs obtained by the analysis using the AC voltage but also the transient response to other electrical stimuli.

(作用)
本発明の組紐状圧電素子11は、特に、鞘部12から形成される円筒形の圧電性構造体の中心軸方向、即ち導電性繊維Bに対して平行方向に伸縮変形(応力)を与えた場合に大きな電気信号を効率的に出力することができる。一方、ねじり変形や曲げ、擦り変形に対しては大きな電気信号を出力しない。
(Function)
In particular, the braided piezoelectric element 11 of the present invention provided expansion / contraction deformation (stress) in the central axis direction of the cylindrical piezoelectric structure formed from the sheath 12, that is, in the direction parallel to the conductive fiber B. In this case, a large electric signal can be output efficiently. On the other hand, no large electrical signal is output for torsional deformation, bending, and rubbing deformation.

ここで、組紐状圧電素子11に与える伸縮変形としては、素子中の繊維が塑性変形を開始する変形量に満たない範囲で与えられることが好ましい。その変形量は使用する繊維の物性による。ただし、繰り返しの仕様を想定しない用途ではこの限りではない。   Here, it is preferable that the expansion / contraction deformation given to the braided piezoelectric element 11 is given in a range where the fibers in the element do not reach the deformation amount for starting plastic deformation. The amount of deformation depends on the physical properties of the fibers used. However, this does not apply to applications that do not assume repetitive specifications.

(布帛状圧電素子)
図5は実施形態に係る組紐状圧電素子を用いた布帛状圧電素子の構成例を示す模式図である。
布帛状圧電素子15は、少なくとも1本の組紐状圧電素子11を含む布帛16を備えている。布帛16は、布帛を構成する繊維(組紐を含む)の少なくとも1本が組紐状圧電素子11であり、組紐状圧電素子11が圧電素子としての機能を発揮可能である限り何らの限定は無く、どのような織編物であってもよい。布状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、他の繊維(組紐を含む)と組み合わせて、交織、交編等を行ってもよい。もちろん、組紐状圧電素子11を、布帛を構成する繊維(例えば、経糸や緯糸)の一部として用いてもよいし、組紐状圧電素子11を布帛に刺繍してもよいし、接着してもよい。図5に示す例では、布帛状圧電素子15は、経糸として、少なくとも1本の組紐状圧電素子11および絶縁性繊維17を配し、緯糸として導電性繊維18および絶縁性繊維17を交互に配した平織物である。導電性繊維18は導電性繊維Bと同一種であっても異種の導電性繊維であってもよく、また絶縁性繊維17については後述される。なお、絶縁性繊維17及び/又は導電性繊維18の全部又は一部が組紐形態であってもよい。
(Fabric piezoelectric element)
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a fabric-like piezoelectric element using the braided piezoelectric element according to the embodiment.
The cloth-like piezoelectric element 15 includes a cloth 16 including at least one braided piezoelectric element 11. The fabric 16 is not limited in any way as long as at least one of the fibers (including braids) constituting the fabric is the braided piezoelectric element 11 and the braided piezoelectric element 11 can function as a piezoelectric element. Any woven or knitted fabric may be used. In forming the cloth, as long as the object of the present invention is achieved, weaving, knitting and the like may be performed in combination with other fibers (including braids). Of course, the braided piezoelectric element 11 may be used as a part of a fiber (for example, warp or weft) constituting the fabric, or the braided piezoelectric element 11 may be embroidered or bonded to the fabric. Good. In the example shown in FIG. 5, the fabric-like piezoelectric element 15 has at least one braid-like piezoelectric element 11 and insulating fibers 17 as warps and alternately has conductive fibers 18 and insulating fibers 17 as wefts. Plain woven fabric. The conductive fiber 18 may be the same type as the conductive fiber B or may be a different type of conductive fiber, and the insulating fiber 17 will be described later. Note that all or part of the insulating fibers 17 and / or the conductive fibers 18 may be braided.

この場合、布帛状圧電素子15が曲げられるなどして変形したとき、その変形に伴い組紐状圧電素子11も変形するので、組紐状圧電素子11から出力される電気信号により、布帛状圧電素子15の変形を検出できる。そして、布帛状圧電素子15は、布帛(織編物)として用いることができるので、例えば衣類形状のウェアラブルセンサーに適用することができる。   In this case, when the cloth-like piezoelectric element 15 is deformed by bending or the like, the braid-like piezoelectric element 11 is also deformed along with the deformation, so that the cloth-like piezoelectric element 15 is generated by an electric signal output from the braid-like piezoelectric element 11. Can be detected. Since the cloth-like piezoelectric element 15 can be used as a cloth (woven or knitted fabric), the cloth-like piezoelectric element 15 can be applied to, for example, a garment-shaped wearable sensor.

また、図5に示す布帛状圧電素子15では、組紐状圧電素子11に導電性繊維18が交差して接触している。したがって、導電性繊維18は、組紐状圧電素子11の少なくとも一部と交差して接触し、それを覆っており、外部から組紐状圧電素子11へ向かおうとする電磁波の少なくとも一部を遮っている、と見ることができる。このような導電性繊維18は、接地(アース)されることにより、組紐状圧電素子11への電磁波の影響を軽減する機能を有している。すなわち導電性繊維18は組紐状圧電素子11の電磁波シールドとして機能することができる。それにより、例えば布帛状圧電素子15の上下に電磁波シールド用の導電性の布帛を重ねなくても、布帛状圧電素子15のS/N比を著しく向上させることができる。この場合、電磁波シールドの観点から組紐状圧電素子11と交差する緯糸(図5の場合)における導電性繊維18の割合が高いほど好ましい。具体的には、布帛16を形成する繊維であり且つ組紐状圧電素子11と交差する繊維のうちの30%以上が導電性繊維であることが好ましく、40%以上がより好ましく、50%以上が更に好ましい。このように布帛状圧電素子15において、布帛を構成する繊維の少なくとも一部として導電性繊維を入れることで、電磁波シールド付の布帛状圧電素子15とすることができる。   Further, in the cloth-like piezoelectric element 15 shown in FIG. 5, the conductive fiber 18 intersects and contacts the braided piezoelectric element 11. Therefore, the conductive fiber 18 intersects and covers at least a part of the braided piezoelectric element 11, covers it, and shields at least a part of the electromagnetic wave that goes from the outside toward the braided piezoelectric element 11. Can be seen. Such a conductive fiber 18 has a function of reducing the influence of electromagnetic waves on the braided piezoelectric element 11 by being grounded. That is, the conductive fiber 18 can function as an electromagnetic wave shield for the braided piezoelectric element 11. Thereby, for example, the S / N ratio of the cloth-like piezoelectric element 15 can be remarkably improved without overlapping conductive cloths for electromagnetic wave shielding on and under the cloth-like piezoelectric element 15. In this case, the higher the ratio of the conductive fibers 18 in the wefts (in the case of FIG. 5) intersecting with the braided piezoelectric element 11 is preferable from the viewpoint of electromagnetic shielding. Specifically, 30% or more of the fibers forming the fabric 16 and intersecting the braided piezoelectric element 11 are preferably conductive fibers, more preferably 40% or more, and 50% or more. Further preferred. Thus, in the cloth-like piezoelectric element 15, the cloth-like piezoelectric element 15 with an electromagnetic wave shield can be obtained by inserting conductive fibers as at least a part of the fibers constituting the cloth.

織物の織組織としては、平織、綾織、朱子織等の三原組織、変化組織、たて二重織、よこ二重織等の片二重組織、たてビロードなどが例示される。編物の種類は、丸編物(緯編物)であってもよいし経編物であってもよい。丸編物(緯編物)の組織としては、平編、ゴム編、両面編、パール編、タック編、浮き編、片畔編、レース編、添え毛編等が好ましく例示される。経編組織としては、シングルデンビー編、シングルアトラス編、ダブルコード編、ハーフトリコット編、裏毛編、ジャガード編等が例示される。層数も単層でもよいし、2層以上の多層でもよい。更には、カットパイルおよび/またはループパイルからなる立毛部と地組織部とで構成される立毛織物、立毛編み物であってもよい。   Examples of the woven structure of the woven fabric include a three-layer structure such as plain weave, twill weave, and satin weave, a change structure, a single double structure such as a vertical double weave and a horizontal double weave, and a vertical velvet. The type of knitted fabric may be a circular knitted fabric (weft knitted fabric) or a warp knitted fabric. Preferable examples of the structure of the circular knitted fabric (weft knitted fabric) include flat knitting, rubber knitting, double-sided knitting, pearl knitting, tuck knitting, floating knitting, single-sided knitting, lace knitting, and bristle knitting. Examples of the warp knitting structure include single denby knitting, single atlas knitting, double cord knitting, half tricot knitting, back hair knitting, jacquard knitting, and the like. The number of layers may be a single layer or a multilayer of two or more layers. Further, it may be a napped woven fabric or a napped knitted fabric composed of a napped portion made of a cut pile and / or a loop pile and a ground tissue portion.

(複数の圧電素子)
また、布帛状圧電素子15では、組紐状圧電素子11を複数並べて用いることも可能である。並べ方としては、例えば経糸または緯糸としてすべてに組紐状圧電素子11を用いてもよいし、数本ごとや一部分に組紐状圧電素子11を用いてもよい。また、ある部分では経糸として組紐状圧電素子11を用い、他の部分では緯糸として組紐状圧電素子11を用いてもよい。
(Multiple piezoelectric elements)
In the fabric-like piezoelectric element 15, a plurality of braid-like piezoelectric elements 11 can be used side by side. For example, the braided piezoelectric elements 11 may be used for all the warps or wefts, or the braided piezoelectric elements 11 may be used for several or a part. Alternatively, the braided piezoelectric element 11 may be used as a warp in a certain portion, and the braided piezoelectric element 11 may be used as a weft in another portion.

このように組紐状圧電素子11を複数本並べて布帛状圧電素子15を形成するときには、組紐状圧電素子11は表面に電極を有さないため、その並べ方、編み方が広範に選択することができるという利点がある。   In this way, when forming the fabric-like piezoelectric element 15 by arranging a plurality of braided piezoelectric elements 11, the braided piezoelectric element 11 does not have electrodes on the surface, so that the arrangement and knitting methods can be selected widely. There is an advantage.

また、組紐状圧電素子11を複数並べて用いる場合、導電性繊維B間の距離が短いため電気信号の取り出しにおいて効率的である。   When a plurality of braided piezoelectric elements 11 are used side by side, the distance between the conductive fibers B is short, which is efficient in taking out an electric signal.

(絶縁性繊維)
布帛状圧電素子15では、組紐状圧電素子11(及び導電性繊維18)以外の部分には、絶縁性繊維を使用することができる。この際、絶縁性繊維は布帛状圧電素子15の柔軟性を向上する目的で伸縮性のある素材、形状を有する繊維を用いることができる。
(Insulating fiber)
In the cloth-like piezoelectric element 15, insulating fibers can be used for portions other than the braided piezoelectric element 11 (and the conductive fiber 18). At this time, the insulating fiber may be a stretchable material or a fiber having a shape for the purpose of improving the flexibility of the cloth-like piezoelectric element 15.

このように組紐状圧電素子11(及び導電性繊維18)以外にこのように絶縁性繊維を配置することで、布帛状圧電素子15の操作性(例示:ウェアラブルセンサーとしての動き易さ)を向上させることが可能である。   In this way, by arranging the insulating fiber in addition to the braided piezoelectric element 11 (and the conductive fiber 18), the operability of the cloth-like piezoelectric element 15 (e.g., ease of movement as a wearable sensor) is improved. It is possible to make it.

このような絶縁性繊維としては、体積抵抗率が10Ω・cm以上であれば用いることができ、より好ましくは10Ω・cm以上、さらに好ましくは1010Ω・cm以上がよい。 As such an insulating fiber, it can be used if the volume resistivity is 10 6 Ω · cm or more, more preferably 10 8 Ω · cm or more, and further preferably 10 10 Ω · cm or more.

絶縁性繊維として例えば、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、塩化ビニル繊維、アラミド繊維、ポリスルホン繊維、ポリエーテル繊維、ポリウレタン繊維等の合成繊維他、綿、麻、絹等の天然繊維、アセテート等の半合成繊維、レーヨン、キュプラ等の再生繊維を用いることができる。これらに限定されるものではなく、公知の絶縁性繊維を任意に用いることができる。さらに、これらの絶縁性繊維を組み合わせて用いてもよく、絶縁性を有しない繊維と組み合わせ、全体として絶縁性を有する繊維としてもよい。   Insulating fibers such as polyester fibers, nylon fibers, acrylic fibers, polyethylene fibers, polypropylene fibers, vinyl chloride fibers, aramid fibers, polysulfone fibers, polyether fibers, polyurethane fibers, etc., cotton, hemp, silk, etc. Natural fibers, semi-synthetic fibers such as acetate, and regenerated fibers such as rayon and cupra can be used. It is not limited to these, A well-known insulating fiber can be used arbitrarily. Furthermore, these insulating fibers may be used in combination, or may be combined with a fiber having no insulating property to form a fiber having insulating properties as a whole.

また、公知のあらゆる断面形状の繊維も用いることができる。   Also, any known cross-sectional shape fiber can be used.

(圧電素子の適用技術)
本発明の組紐状圧電素子11や布帛状圧電素子15のような圧電素子はいずれの様態であっても、組紐状圧電素子の中心軸方向の伸縮変形(応力)を電気信号として出力することができるので、その圧電素子に印加された応力の大きさおよび/又は印加された位置を検出するセンサー(デバイス)として利用することができる。布帛状圧電素子中の組紐状圧電素子の配置方法によっては、布帛状圧電素子が曲げ、ねじり、押圧などの変形や応力を受けた時に組紐状圧電素子が伸縮変形するようにできるので、布帛状圧電素子の曲げ、ねじり、押圧などの変形や応力により電気信号を出力することもできる。また、この電気信号を他のデバイスを動かすための電力源あるいは蓄電するなど、発電素子として用いることもできる。具体的には、人、動物、ロボット、機械など自発的に動くものの可動部に用いることによる発電、靴底、敷物、外部から圧力を受ける構造物の表面での発電、流体中での形状変化による発電、などが挙げられる。また、流体中での形状変化により電気信号を発するために、流体中の帯電性物質を吸着させたり付着を抑制させたりすることも可能である。
(Applied technology for piezoelectric elements)
The piezoelectric element such as the braided piezoelectric element 11 or the cloth-like piezoelectric element 15 of the present invention can output the expansion / contraction deformation (stress) in the central axis direction of the braided piezoelectric element as an electric signal, regardless of the state. Therefore, it can be used as a sensor (device) for detecting the magnitude and / or position of the stress applied to the piezoelectric element. Depending on the arrangement method of the braided piezoelectric element in the cloth-like piezoelectric element, the braided piezoelectric element can be expanded and contracted when subjected to deformation or stress such as bending, twisting, pressing, etc. An electrical signal can also be output by deformation or stress such as bending, twisting, or pressing of the piezoelectric element. Further, this electric signal can be used as a power generation element such as a power source for moving other devices or storing electricity. Specifically, power generation by using it as a moving part of a human, animal, robot, machine, etc. that moves spontaneously, power generation on the surface of a shoe sole, rug, or structure that receives pressure from the outside, shape change in fluid Power generation, etc. In addition, in order to generate an electrical signal due to a shape change in the fluid, it is possible to adsorb a chargeable substance in the fluid or suppress adhesion.

図6は、本発明の圧電素子111を備えるデバイス110を示すブロック図である。デバイス110は、圧電素子111(例示:組紐状圧電素子11、布帛状圧電素子15)と、任意選択で、印加された圧力に応じて圧電素子111の出力端子から出力される電気信号を増幅する増幅手段112、当該任意選択の増幅手段112で増幅された電気信号を出力する出力手段113、及び出力手段113から出力された電気信号を外部機器(図示せず)へ送信する送信手段114を有する電気回路とを備える。このデバイス110を用いれば、圧電素子111の表面への接触、圧力、形状変化により出力された電気信号に基づき、外部機器(図示せず)における演算処理にて、圧電素子に印加された組紐状圧電素子の中心軸方向の伸縮変形(応力)の大きさおよび/又は印加された位置を検出することができる。   FIG. 6 is a block diagram showing a device 110 including the piezoelectric element 111 of the present invention. The device 110 amplifies an electrical signal output from the output terminal of the piezoelectric element 111 in accordance with an applied pressure with a piezoelectric element 111 (e.g., braided piezoelectric element 11, fabric-like piezoelectric element 15) and, optionally, a pressure. Amplifying means 112, output means 113 for outputting the electric signal amplified by the optional amplifying means 112, and transmitting means 114 for transmitting the electric signal output from output means 113 to an external device (not shown) And an electric circuit. If this device 110 is used, the braided shape applied to the piezoelectric element by the arithmetic processing in the external device (not shown) based on the electrical signal output by the contact with the surface of the piezoelectric element 111, the pressure, and the shape change. The magnitude of expansion / contraction deformation (stress) in the central axis direction of the piezoelectric element and / or the applied position can be detected.

任意選択の増幅手段112、出力手段113、及び送信手段114は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えば、演算処理装置(図示せず)に当該ソフトウェアプログラムがインストールされ、演算処理装置が当該ソフトウェアプログラムに従って動作することで、各部の機能を実現する。またあるいは、任意選択の増幅手段112、出力手段113、及び送信手段114を、これら各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。なお、送信手段114による送信方式を無線によるもの有線によるものにするかは、構成するセンサーに応じて適宜決定すればよい。あるいは、デバイス110内に、出力手段113から出力された電気信号に基づき圧電素子111に印加された応力の大きさおよび/又は印加された位置を演算する演算手段(図示せず)を設けてもよい。また、増幅手段だけではなく、ノイズを除去する手段や他の信号と組み合わせて処理する手段などの公知の信号処理手段を組み合わせて用いてもよい。これらの手段の接続の順序は目的に応じて適宜変えることができる。もちろん、圧電素子111から出力される電気信号をそのまま外部機器へ送信した後で信号処理してもよい。   The optional amplification means 112, output means 113, and transmission means 114 may be constructed, for example, in the form of a software program, or may be constructed by a combination of various electronic circuits and software programs. For example, the software program is installed in an arithmetic processing device (not shown), and the arithmetic processing device operates according to the software program, thereby realizing the functions of each unit. Alternatively, the optional amplification unit 112, output unit 113, and transmission unit 114 may be realized as a semiconductor integrated circuit in which a software program for realizing the functions of these units is written. Whether the transmission method by the transmission unit 114 is wireless or wired may be appropriately determined according to the sensor to be configured. Alternatively, calculation means (not shown) for calculating the magnitude of the stress applied to the piezoelectric element 111 and / or the applied position based on the electrical signal output from the output means 113 may be provided in the device 110. Good. In addition to the amplifying means, known signal processing means such as noise removing means and means for processing in combination with other signals may be used in combination. The order of connection of these means can be appropriately changed according to the purpose. Of course, the electrical signal output from the piezoelectric element 111 may be processed as it is after being transmitted to the external device.

図7および図8は、実施の形態に係る組紐布帛状圧電素子を備えるデバイスの構成例を示す模式図である。図7および図8の増幅手段112は、図6を参照して説明したものに相当するが、図6の出力手段113および送信手段114については図7および図8では図示を省略している。布帛状圧電素子15を備えるデバイスを構成する場合、増幅手段112の入力端子に組紐状圧電素子11の芯部13(導電性繊維Bで形成される)の出力端子からの引出し線を接続し、接地(アース)端子には、増幅手段112の入力端子に接続した組紐状圧電素子11とは別の組紐状圧電素子または導電性繊維18を接続する。例えば、図7に示すように、布帛状圧電素子15において、組紐状圧電素子11の芯部13からの引出し線を増幅手段112の入力端子に接続し、組紐状圧電素子11に交差して接触した導電性繊維18を接地(アース)する。また例えば、図8に示すように、布帛状圧電素子15において組紐状圧電素子11を複数並べている場合、1本の組紐状圧電素子11の芯部13からの引出し線を増幅手段112の入力端子に接続し、当該組紐状圧電素子11に並んだ別の組紐状圧電素子11の芯部13からの引出し線を、接地(アース)する。   7 and 8 are schematic views showing a configuration example of a device including the braided cloth-like piezoelectric element according to the embodiment. The amplifying unit 112 in FIGS. 7 and 8 corresponds to that described with reference to FIG. 6, but the output unit 113 and the transmitting unit 114 in FIG. 6 are not shown in FIGS. 7 and 8. When configuring a device including the fabric-like piezoelectric element 15, the lead wire from the output terminal of the core portion 13 (formed of the conductive fiber B) of the braided piezoelectric element 11 is connected to the input terminal of the amplifying unit 112, A braided piezoelectric element or conductive fiber 18 different from the braided piezoelectric element 11 connected to the input terminal of the amplifying means 112 is connected to the ground (earth) terminal. For example, as shown in FIG. 7, in the cloth-like piezoelectric element 15, the lead wire from the core portion 13 of the braided piezoelectric element 11 is connected to the input terminal of the amplifying means 112, and intersects and contacts the braided piezoelectric element 11. The conductive fiber 18 is grounded. Further, for example, as shown in FIG. 8, when a plurality of braided piezoelectric elements 11 are arranged in the cloth-like piezoelectric element 15, the lead wire from the core portion 13 of one braided piezoelectric element 11 is connected to the input terminal of the amplifying unit 112. The lead wire from the core portion 13 of another braided piezoelectric element 11 aligned with the braided piezoelectric element 11 is grounded (grounded).

組紐状圧電素子11の中心軸方向に伸縮変形が生じると、圧電性繊維Aは変形して分極が発生する。圧電性繊維Aの分極により発生した正負各電荷の配列につられて、組紐状圧電素子11の芯部13を形成する導電性繊維Bの出力端子からの引出し線上において、電荷の移動が発生する。導電性繊維Bからの引出し線上における電荷の移動は微小な電気信号(すなわち電流または電位差)として現れる。つまり、組紐状圧電素子11の中心軸の方向(圧電性高分子が配置された円筒形の中心軸の方向)に伸縮変形が与えられた時に発生する電荷に応じて、出力端子から電気信号が出力される。増幅手段112やこの電気信号を増幅し、出力手段113は、増幅手段112で増幅された電気信号を出力し、送信手段114は、出力手段113から出力された電気信号を外部機器(図示せず)へ送信する。   When expansion / contraction deformation occurs in the central axis direction of the braided piezoelectric element 11, the piezoelectric fiber A is deformed to generate polarization. In accordance with the arrangement of positive and negative charges generated by the polarization of the piezoelectric fiber A, movement of charges occurs on the lead line from the output terminal of the conductive fiber B forming the core portion 13 of the braided piezoelectric element 11. The movement of electric charge on the lead line from the conductive fiber B appears as a minute electric signal (that is, current or potential difference). That is, an electric signal is output from the output terminal in accordance with the electric charge generated when the elastic deformation is applied in the direction of the central axis of the braided piezoelectric element 11 (the direction of the central axis of the cylindrical shape where the piezoelectric polymer is disposed). Is output. The amplifying unit 112 and the electric signal are amplified, the output unit 113 outputs the electric signal amplified by the amplifying unit 112, and the transmitting unit 114 outputs the electric signal output from the output unit 113 to an external device (not shown). ).

本発明のデバイス110は柔軟性があり、紐状および布帛状いずれの形態でも使用できるため、非常に広範な用途が考えられる。本発明のデバイス110の具体的な例としては、帽子や手袋、靴下などを含む着衣、サポーター、ハンカチ状などの形状をした、タッチパネル、人や動物の表面感圧センサー、例えば、手袋やバンド、サポーターなどの形状をした関節部の曲げ、捩じり、伸縮を感知するセンサーが挙げられる。例えば人に用いる場合には、接触や動きを検出し、医療用途などの関節などの動きの情報収集、アミューズメント用途、失われた組織やロボットを動かすためのインターフェースとして用いることができる。他には、動物や人型を模したぬいぐるみやロボットの表面感圧センサー、関節部の曲げ、捩じり、伸縮を感知するセンサーとして用いることができる。他には、シーツや枕などの寝具、靴底、手袋、椅子、敷物、袋、旗などの表面感圧センサーや形状変化センサーとして用いることができる。   Since the device 110 of the present invention is flexible and can be used in either a string form or a cloth form, a very wide range of applications can be considered. Specific examples of the device 110 of the present invention include a touch panel, a human or animal surface pressure sensor, for example, a glove or a band, in the shape of a clothing, supporter, handkerchief or the like including a hat, gloves, or socks. Sensors that detect bending, twisting, and expansion / contraction of joints shaped like supporters. For example, when used for humans, it can be used as an interface for detecting contact and movement, collecting information on movement of joints and the like for medical purposes, amusement purposes, and moving lost tissues and robots. In addition, it can be used as a stuffed animal that imitates animals and humanoids, a surface pressure sensor of a robot, a sensor that detects bending, twisting, and expansion / contraction of a joint. In addition, it can be used as a surface pressure sensor or shape change sensor for bedding such as sheets and pillows, shoe soles, gloves, chairs, rugs, bags, and flags.

さらに、本発明のデバイス110は組紐状あるいは布帛状であり、柔軟性があるので、あらゆる構造物の全体あるいは一部の表面に貼付あるいは被覆することにより表面感圧センサー、形状変化センサーとして用いることができる。   Furthermore, since the device 110 of the present invention is in the form of braids or fabrics and is flexible, it can be used as a surface pressure sensor or shape change sensor by sticking or covering all or part of the surface of any structure. Can do.

さらに、本発明のデバイス110は、組紐状圧電素子11の表面を擦るだけで十分な電気信号を発生することができるので、タッチセンサーのようなタッチ式入力装置やポインティングデバイスなどに用いることができる。また、組紐状圧電素子11で被計測物の表面を擦ることによって被計測物の高さ方向の位置情報や形状情報を得ることができるので、表面形状計測などに用いることができる。   Furthermore, since the device 110 of the present invention can generate a sufficient electric signal simply by rubbing the surface of the braided piezoelectric element 11, it can be used for a touch input device such as a touch sensor, a pointing device, or the like. . Further, since the position information and shape information in the height direction of the measurement object can be obtained by rubbing the surface of the measurement object with the braided piezoelectric element 11, it can be used for surface shape measurement and the like.

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に記載するが本発明はこれによって何らの限定を受けるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the present invention is not limited to these examples.

圧電素子用の布帛は以下の方法で製造した。
(ポリ乳酸の製造)
実施例において用いたポリ乳酸は以下の方法で製造した。
L−ラクチド((株)武蔵野化学研究所製、光学純度100%)100質量部に対し、オクチル酸スズを0.005質量部加え、窒素雰囲気下、撹拌翼のついた反応機にて180℃で2時間反応させ、オクチル酸スズに対し1.2倍当量のリン酸を添加しその後、13.3Paで残存するラクチドを減圧除去し、チップ化し、ポリ−L−乳酸(PLLA1)を得た。得られたPLLA1の質量平均分子量は15.2万、ガラス転移点(Tg)は55℃、融点は175℃であった。
The fabric for piezoelectric elements was manufactured by the following method.
(Manufacture of polylactic acid)
The polylactic acid used in the examples was produced by the following method.
To 100 parts by mass of L-lactide (manufactured by Musashino Chemical Laboratory, Inc., optical purity 100%), 0.005 part by mass of tin octylate was added, and 180 ° C. in a reactor equipped with a stirring blade in a nitrogen atmosphere. Then, 1.2 times equivalent of phosphoric acid was added to tin octylate, and then the remaining lactide was removed under reduced pressure at 13.3 Pa to obtain chips to obtain poly-L-lactic acid (PLLA1). . The obtained PLLA1 had a mass average molecular weight of 152,000, a glass transition point (Tg) of 55 ° C., and a melting point of 175 ° C.

(圧電性繊維)
240℃にて溶融させたPLLA1を24ホールのキャップから20g/minで吐出し、887m/minにて引き取った。この未延伸マルチフィラメント糸を80℃、2.3倍に延伸し、100℃で熱固定処理することにより84dTex/24フィラメントのマルチフィラメント一軸延伸糸PF1を得た。また、240℃にて溶融させたPLLA1を12ホールのキャップから8g/minで吐出し、1050m/minにて引き取った。この未延伸マルチフィラメント糸を80℃、2.3倍に延伸し、150℃で熱固定処理することにより33dtex/12フィラメントのマルチフィラメント一軸延伸糸PF2を得た。これらの圧電性繊維PF1およびPF2を圧電性高分子として用いた。PF1およびPF2のポリ−L−乳酸結晶化度、ポリ−L−乳酸結晶配向度および光学純度は後述の方法で測定し、表1の通りであった。
(Piezoelectric fiber)
PLLA1 melted at 240 ° C. was discharged from a 24-hole cap at 20 g / min and taken up at 887 m / min. This unstretched multifilament yarn was stretched 2.3 times at 80 ° C. and heat-set at 100 ° C. to obtain a multifilament uniaxially stretched yarn PF1 of 84 dTex / 24 filament. Further, PLLA1 melted at 240 ° C. was discharged from a 12-hole cap at 8 g / min and taken up at 1050 m / min. This unstretched multifilament yarn was stretched 2.3 times at 80 ° C. and heat-set at 150 ° C. to obtain a multifilament uniaxially stretched yarn PF2 of 33 dtex / 12 filament. These piezoelectric fibers PF1 and PF2 were used as piezoelectric polymers. The poly-L-lactic acid crystallinity, poly-L-lactic acid crystal orientation, and optical purity of PF1 and PF2 were measured by the methods described later and were as shown in Table 1.

(導電性繊維)
ミツフジ(株)製の銀メッキナイロン、品名『AGposs』100d34f(CF1)を導電性繊維Bとして使用した。CF1の抵抗率は250Ω/mであった。
また、ミツフジ(株)製の銀メッキナイロン、品名『AGposs』30d10f(CF2)を導電性繊維Bおよび導電性繊維5として使用した。CF2の導電性は950Ω/mであった。
(Conductive fiber)
Silver-plated nylon manufactured by Mitsufuji Corporation, product name “AGposs” 100d34f (CF1) was used as the conductive fiber B. The resistivity of CF1 was 250Ω / m.
Further, silver plated nylon manufactured by Mitsufuji Corporation, product name “AGposs” 30d10f (CF2) was used as the conductive fiber B and the conductive fiber 5. The conductivity of CF2 was 950 Ω / m.

(絶縁性繊維)
ポリエチレンテレフタレートを溶融紡糸後に延伸することで製造した84dTex/24フィラメントの延伸糸IF1、および33dTex/12フィラメントの延伸糸IF2をそれぞれ絶縁性繊維とした。
(Insulating fiber)
The 84dTex / 24 filament drawn yarn IF1 and 33dTex / 12 filament drawn yarn IF2 manufactured by drawing polyethylene terephthalate after melt spinning were used as insulating fibers.

(1)ポリ−L−乳酸結晶化度Xhomo
ポリ−L−乳酸結晶化度Xhomoについては、広角X線回折分析(WAXD)による結晶構造解析から求めた。広角X線回折分析(WAXD)では、リガク製ultrax18型X線回折装置を用いて透過法により、以下条件でサンプルのX線回折図形をイメージングプレートに記録した。
X線源: Cu−Kα線(コンフォーカル ミラー)
出力: 45kV×60mA
スリット: 1st:1mmΦ,2nd:0.8mmΦ
カメラ長: 120mm
積算時間: 10分
サンプル: 35mgのポリ乳酸繊維を引き揃え3cmの繊維束とする
得られたX線回折図形において方位角にわたって全散乱強度Itotalを求め、ここで2θ=16.5°,18.5°,24.3°付近に現れるポリ−L−乳酸結晶に由来する各回折ピークの積分強度の総和ΣIHMiを求めた。これらの値から下式(1)に従い、ポリ−L−乳酸結晶化度Xhomoを求めた。
[数1]
ポリ−L−乳酸結晶化度Xhomo(%)=ΣIHMi/Itotal×100 (1)
なお、ΣIHMiは、全散乱強度においてバックグランドや非晶による散漫散乱を差し引くことによって算出した。
(1) Poly-L-lactic acid crystallinity X homo :
The poly-L-lactic acid crystallinity X homo was determined from crystal structure analysis by wide angle X-ray diffraction analysis (WAXD). In wide-angle X-ray diffraction analysis (WAXD), an X-ray diffraction pattern of a sample was recorded on an imaging plate under the following conditions by a transmission method using a Rigaku ultra 18 type X-ray diffractometer.
X-ray source: Cu-Kα ray (confocal mirror)
Output: 45kV x 60mA
Slit: 1st: 1mmΦ, 2nd: 0.8mmΦ
Camera length: 120mm
Integration time: 10 minutes Sample: 35 mg of polylactic acid fibers are aligned to form a 3 cm fiber bundle The total scattering intensity I total is obtained over the azimuth angle in the obtained X-ray diffraction pattern, where 2θ = 16.5 °, 18 The sum ΣI HMi of the integrated intensities of the diffraction peaks derived from the poly-L-lactic acid crystals appearing around .5 ° and 24.3 ° was obtained. From these values, poly-L-lactic acid crystallinity X homo was determined according to the following formula (1).
[Equation 1]
Poly-L-lactic acid crystallinity X homo (%) = ΣI HMi / I total × 100 (1)
Note that ΣI HMi was calculated by subtracting diffuse scattering due to background and amorphous in the total scattering intensity.

(2)ポリ−L−乳酸結晶配向度A:
ポリ−L−乳酸結晶配向度Aについては、上記の広角X線回折分析(WAXD)により得られたX線回折図形において、動径方向の2θ=16.5°付近に現れるポリ−L−乳酸結晶に由来する回折ピークについて、方位角(°)に対する強度分布をとり、得られた分布プロファイルの半値幅の総計ΣW(°)から次式(2)より算出した。
[数2]
ポリ−L−乳酸結晶配向度A(%)=(360−ΣW)÷360×100 (2)
(2) Poly-L-lactic acid crystal orientation degree A:
Regarding the poly-L-lactic acid crystal orientation degree A, in the X-ray diffraction pattern obtained by the above wide-angle X-ray diffraction analysis (WAXD), poly-L-lactic acid appears in the vicinity of 2θ = 16.5 ° in the radial direction. for diffraction peaks derived from crystals, taking the intensity distribution for azimuthal (°), it was calculated from the following equation (2) from the sum of the half-width of the resulting distribution profile .SIGMA.W i (°).
[Equation 2]
Poly-L-lactic acid crystal orientation degree A (%) = (360−ΣW i ) ÷ 360 × 100 (2)

(3)ポリ乳酸の光学純度:
布帛を構成する1本(マルチフィラメントの場合は1束)のポリ乳酸繊維0.1gを採取し、5モル/リットル濃度の水酸化ナトリウム水溶液1.0mLとメタノール1.0mLを加え、65℃に設定した水浴振とう器にセットして、ポリ乳酸が均一溶液になるまで30分程度加水分解を行い、さらに加水分解が完了した溶液に0.25モル/リットルの硫酸を加えpH7まで中和し、その分解溶液を0.1mL採取して高速液体クロマトグラフィー(HPLC)移動相溶液3mLにより希釈し、メンブレンフィルター(0.45μm)によりろ過した。この調整溶液のHPLC測定を行い、L−乳酸モノマーとD−乳酸モノマーの比率を定量した。1本のポリ乳酸繊維が0.1gに満たない場合は、採取可能な量に合わせ他の溶液の使用量を調整し、HPLC測定に供するサンプル溶液のポリ乳酸濃度が上記と同等から100分の1の範囲になるようにした。
(3) Optical purity of polylactic acid:
Collect 0.1 g of polylactic acid fiber (one bundle in the case of multifilament) constituting the fabric, add 1.0 mL of 5 mol / L sodium hydroxide aqueous solution and 1.0 mL of methanol, and heat to 65 ° C. Set in a set water bath shaker, hydrolyze for about 30 minutes until the polylactic acid becomes a homogeneous solution, and further neutralize to pH 7 by adding 0.25 mol / liter of sulfuric acid to the hydrolyzed solution. Then, 0.1 mL of the decomposition solution was collected, diluted with 3 mL of high-performance liquid chromatography (HPLC) mobile phase solution, and filtered through a membrane filter (0.45 μm). This adjustment solution was subjected to HPLC measurement, and the ratio of L-lactic acid monomer to D-lactic acid monomer was quantified. When the amount of one polylactic acid fiber is less than 0.1 g, the amount of other solution used is adjusted according to the amount that can be collected, and the concentration of polylactic acid in the sample solution used for HPLC measurement is 100 minutes from the above. It was made to be in the range of 1.

<HPLC測定条件>
カラム:住化分析センター社製「スミキラル(登録商標)」OA−5000(4.6mmφ×150mm)、
移動相:1.0ミリモル/リットルの硫酸銅水溶液
移動相流量:1.0ミリリットル/分
検出器:UV検出器(波長254nm)
注入量:100マイクロリットル
L乳酸モノマーに由来するピーク面積をSLLAとし、D−乳酸モノマーに由来するピーク面積をSDLAとすると、SLLAおよびSDLAはL−乳酸モノマーのモル濃度MLLAおよびD−乳酸モノマーのモル濃度MDLAにそれぞれ比例するため、SLLAとSDLAのうち大きい方の値をSMLAとし、光学純度は下記式(3)で計算した。
[数3]
光学純度(%)=SMLA÷(SLLA+SDLA)×100 (3)
<HPLC measurement conditions>
Column: “Sumichiral (registered trademark)” OA-5000 (4.6 mmφ × 150 mm) manufactured by Sumika Chemical Analysis Co., Ltd.
Mobile phase: 1.0 mmol / liter copper sulfate aqueous solution Mobile phase flow rate: 1.0 ml / min Detector: UV detector (wavelength 254 nm)
Injection amount: 100 microliters When the peak area derived from the L-lactic acid monomer is S LLA and the peak area derived from the D-lactic acid monomer is S DLA , S LLA and S DLA are the molar concentrations M LLA and L-lactic acid monomer. Since it was proportional to the molar concentration M DLA of the D-lactic acid monomer, the larger value of S LLA and S DLA was taken as S MLA , and the optical purity was calculated by the following formula (3).
[Equation 3]
Optical purity (%) = S MLA ÷ (S LLA + S DLA ) × 100 (3)

(4)中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θ
中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θは、下記式から計算した。
θ = arctan(2πRm/HP) (0°≦θ≦90°)
ただしRm=2(Ro−Ri)/3(Ro−Ri)、即ち断面積で加重平均した圧電性構造体の半径である。らせんピッチHP、圧電性構造体が占める部分の外側半径Roおよび内側半径Riは以下の通り測定した。
(4) Orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis
The orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis was calculated from the following formula.
θ = arctan (2πRm / HP) (0 ° ≦ θ ≦ 90 °)
However, Rm = 2 (Ro 3 −Ri 3 ) / 3 (Ro 2 −Ri 2 ), that is, the radius of the piezoelectric structure weighted by the cross-sectional area. The helical pitch HP, the outer radius Ro and the inner radius Ri of the portion occupied by the piezoelectric structure were measured as follows.

(4−1)圧電性構造体が組紐状圧電素子の場合は、(組紐状圧電素子の圧電性高分子以外による被覆がなされている場合は必要に応じて被覆を除去して側面から圧電性高分子が観察できる状態としてから)側面写真を撮影し、任意の5カ所で図3のように圧電性高分子のらせんピッチHP(μm)を測定し、平均値を取った。また、組紐状圧電素子に低粘性の瞬間接着剤「アロンアルファEXTRA2000」(東亞合成)を染み込ませて固化させた後、組紐の長軸に垂直な断面を切り出して断面写真を撮影し、1枚の断面写真について後述の通り圧電性構造体が占める部分の外側半径Ro(μm)および内側半径Ri(μm)を測定し、同様の測定を別の任意の断面5カ所について測定し、平均値を取った。圧電性高分子と絶縁性高分子とが同時に組まれている場合、例えば圧電性繊維と絶縁性繊維を合糸したものを用いている場合や、8打ち組紐の4本の繊維が圧電性高分子であり、残る4本の繊維が絶縁性高分子である場合は、様々な場所で断面を取った時、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とが互いに入れ替わるため、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とを合せて圧電性構造体が占める部分とみなす。ただし、絶縁性高分子が圧電性高分子と同時に組まれていない部分については、圧電性構造体の一部とはみなさない。 (4-1) When the piezoelectric structure is a braided piezoelectric element (if the braided piezoelectric element is coated with a material other than the piezoelectric polymer, the coating is removed as necessary to remove the piezoelectricity from the side surface. Side view photographs were taken (after the polymer was in an observable state), and the helical pitch HP (μm) of the piezoelectric polymer was measured at any five locations as shown in FIG. Also, after impregnating the braided piezoelectric element with a low-viscosity instantaneous adhesive “Aron Alpha EXTRA2000” (Toagosei) and solidifying it, a cross section perpendicular to the long axis of the braid is cut out and a cross-sectional photograph is taken. As described later, the outer radius Ro (μm) and the inner radius Ri (μm) of the portion occupied by the piezoelectric structure are measured as described later. It was. When the piezoelectric polymer and the insulating polymer are assembled at the same time, for example, when a combination of piezoelectric fiber and insulating fiber is used, or when four fibers of 8-strand braid are high in piezoelectricity When the remaining four fibers are insulating polymers, when the cross section is taken at various locations, the region where the piezoelectric polymer is present and the region where the insulating polymer is present are interchanged. Therefore, the region where the piezoelectric polymer is present and the region where the insulating polymer is present are regarded as a portion occupied by the piezoelectric structure. However, a portion where the insulating polymer is not assembled at the same time as the piezoelectric polymer is not regarded as a part of the piezoelectric structure.

外側半径Roと内側半径Riについては、以下の通り測定した。図9Aの断面写真の通り、圧電性構造体が占める領域(以後PSAと記載する)と、PSAの中央部にありPSAではない領域(以後CAと記載する)を定義する。また図9Bに示したように、PSAの外側にあり、PSAに重ならない最小の真円の直径と、PSAの外側を通らない(CAは通ってもよい)最大の真円の直径との平均値をRoとする。さらに図9Cに示したように、CAの外側にあり、CAに重ならない最小の真円の直径と、CAの外側を通らない最大の真円の直径との平均値をRiとする。   The outer radius Ro and the inner radius Ri were measured as follows. As shown in the cross-sectional photograph of FIG. 9A, a region occupied by the piezoelectric structure (hereinafter referred to as PSA) and a region in the central portion of the PSA that is not PSA (hereinafter referred to as CA) are defined. Also, as shown in FIG. 9B, the average of the smallest perfect circle diameter that is outside the PSA and does not overlap the PSA and the largest perfect circle diameter that does not pass outside the PSA (CA may pass). Let the value be Ro. Further, as shown in FIG. 9C, an average value of the diameter of the smallest perfect circle that is outside the CA and does not overlap the CA and the diameter of the largest perfect circle that does not pass outside the CA is Ri.

(4−2)圧電性構造体がカバリング糸状圧電素子の場合は、圧電性高分子をカバリングする時の巻き速度がT回/m(カバリング糸の長さあたりの圧電性高分子の回転数)のとき、らせんピッチHP(μm)=1000000/Tとした。また、カバリング糸状圧電素子に低粘性の瞬間接着剤「アロンアルファEXTRA2000」(東亞合成)を染み込ませて固化させた後、組紐の長軸に垂直な断面を切り出して断面写真を撮影し、1枚の断面写真について組紐状圧電素子の場合と同様に圧電性構造体が占める部分の外側半径Ro(μm)および内側半径Ri(μm)を測定し、同様の測定を別の任意の断面5カ所について測定し、平均値を取った。圧電性高分子と絶縁性高分子とが同時にカバリングされている場合、例えば圧電性繊維と絶縁性繊維を合糸したものをカバリングしてある場合や、圧電性繊維と絶縁性繊維とが重ならないように同時にカバリングしてある場合は、様々な場所で断面を取った時、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とが互いに入れ替わるため、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とを合せて圧電性構造体が占める部分とみなす。ただし、絶縁性高分子が圧電性高分子と同時にカバリングされてない、即ちどの断面を取っても絶縁性高分子が常に圧電性高分子の内側または外側にある部分については、圧電性構造体の一部とはみなさない。 (4-2) When the piezoelectric structure is a covering thread-like piezoelectric element, the winding speed when covering the piezoelectric polymer is T times / m (the number of rotations of the piezoelectric polymer per the length of the covering thread). In this case, the helical pitch HP (μm) was set to 1000000 / T. In addition, a low-viscosity instantaneous adhesive “Aron Alpha EXTRA2000” (Toagosei) was infiltrated into the covering yarn-shaped piezoelectric element and solidified, and then a cross-section perpendicular to the long axis of the braid was cut out and a cross-sectional photograph was taken. Regarding the cross-sectional photograph, the outer radius Ro (μm) and the inner radius Ri (μm) of the portion occupied by the piezoelectric structure are measured in the same manner as in the braided piezoelectric element, and the same measurement is performed at another arbitrary five cross sections. And averaged. When the piezoelectric polymer and the insulating polymer are covered at the same time, for example, when the piezoelectric fiber and the insulating fiber are covered, or the piezoelectric fiber and the insulating fiber do not overlap. If the cross section is taken at various locations, the region where the piezoelectric polymer is present and the region where the insulating polymer is present are interchanged with each other, so that the piezoelectric polymer exists. The region and the region where the insulating polymer exists are combined and regarded as a portion occupied by the piezoelectric structure. However, the insulating polymer is not covered simultaneously with the piezoelectric polymer, that is, the portion where the insulating polymer is always inside or outside the piezoelectric polymer regardless of the cross section, Not considered part of it.

(5)電気信号測定
エレクトロメータ(Keysight社 B2987A)を、同軸ケーブル(芯:Hi極、シールド:Lo極)を介して圧電素子の導電体に接続した状態で、圧電素子に対し下記5−1〜5のいずれかの動作試験をしながら50m秒の間隔で電流値を計測した。
(5) Electric signal measurement The electrometer (Keysight B2987A) is connected to the conductor of the piezoelectric element via a coaxial cable (core: Hi pole, shield: Lo pole). The current value was measured at intervals of 50 milliseconds while performing the operation test of any one of ˜5.

(5−1)引張試験
株式会社オリエンテック製万能試験機「テンシロンRTC−1225A」を用い、圧電素子の長尺方向に12cmの間隔を空けて圧電素子をチャックで掴み、素子が弛んだ状態を0.0Nとし、0.5Nの張力まで引っ張った状態で変位を0mmとし、100mm/minの動作速度で1.2mmまで引っ張った後、0mmまで−100mm/minの動作速度で戻す動作を10回繰り返した。
(5-1) Tensile test Using a universal testing machine "Tensilon RTC-1225A" manufactured by Orientec Co., Ltd., holding the piezoelectric element with a chuck at an interval of 12 cm in the longitudinal direction of the piezoelectric element, The displacement is set to 0.0 N, the displacement is set to 0 mm in the state pulled to the tension of 0.5 N, the operation is pulled up to 1.2 mm at an operation speed of 100 mm / min, and then returned to 0 mm at the operation speed of −100 mm / min 10 times. Repeated.

(5−2)ねじり試験
圧電素子を掴む2か所のチャックのうち、片方のチャックはねじり動作を行わず圧電素子の長軸方向に自由に動くようなレール上に設置されて圧電素子に0.5Nの張力が常にかかる状態とし、他方のチャックは圧電素子の長軸方向には動かずねじり動作を行うよう設計されたねじり試験装置を用い、圧電素子の長尺方向に72mmの間隔を空けて圧電素子をこれらのチャックで掴み、素子の中央からチャックを見て時計回りにねじるように(即ち圧電素子がZ撚りにねじれるように)100°/sの速度で0°から45°まで回転した後、−100°/sの速度で45°から0°まで回転する往復ねじり動作を10回繰り返した。
(5-2) Torsion test Of the two chucks that grip the piezoelectric element, one of the chucks is placed on a rail that does not twist and moves freely in the longitudinal direction of the piezoelectric element. .5N tension is always applied, and the other chuck uses a torsion test device designed to perform a torsional movement without moving in the longitudinal direction of the piezoelectric element, and is spaced 72 mm in the longitudinal direction of the piezoelectric element. Rotate from 0 ° to 45 ° at a speed of 100 ° / s so that the piezoelectric element can be gripped by these chucks and twisted clockwise when viewed from the center of the element (ie, the piezoelectric element twists in a Z twist) Then, the reciprocating torsional operation of rotating from 45 ° to 0 ° at a speed of −100 ° / s was repeated 10 times.

(5−3)曲げ試験
上部と下部との2つのチャックを備え、下部のチャックは固定され、上部のチャックは下部のチャックの72mm上方に位置し、2つのチャックを結ぶ線分を直径とする仮想の円周上を上部のチャックが移動する試験装置を用い、圧電素子をチャックに把持して固定し、該円周上にて上部のチャックを12時の位置、下部のチャックを6時の位置としたとき、圧電素子を9時方向に凸に僅かに撓ませた状態とした後、上部のチャックを12時の位置から該円周上の1時、2時の位置を経由して3時の位置に一定速度で0.9秒かけて移動させた後、12時の位置まで0.9秒かけて移動させる往復曲げ動作を10回繰り返した。
(5-3) Bending test Two chucks, upper and lower, are provided, the lower chuck is fixed, the upper chuck is positioned 72 mm above the lower chuck, and the line segment connecting the two chucks is the diameter. Using a test device in which the upper chuck moves on a virtual circumference, the piezoelectric element is held and fixed on the chuck, and the upper chuck is positioned at 12 o'clock and the lower chuck at 6 o'clock on the circumference. When the position is set, the piezoelectric element is slightly bent convexly in the 9 o'clock direction, and then the upper chuck is moved from the 12 o'clock position through the 1 o'clock and 2 o'clock positions on the circumference. The reciprocating bending operation of moving to the hour position at a constant speed over 0.9 seconds and then moving to the 12 o'clock position over 0.9 seconds was repeated 10 times.

(5−4)せん断試験
50番手の綿糸で織られた平織布を表面に貼り付けた2枚の剛直な金属板によって、圧電素子の中央部64mmの長さの部分を上下から水平に挟み(下部の金属板は台に固定されている)、上から3.2Nの垂直荷重をかけ、金属板表面の綿布と圧電素子との間が滑らないようにした状態のまま、上の金属板を0Nから1Nの荷重まで1秒かけて圧電素子の長尺方向に引っ張った後、引張荷重を0Nまで1秒かけて戻すせん断動作を10回繰り返した。
(5-4) Shear test A 64 mm long portion of the central portion of the piezoelectric element is sandwiched horizontally from above and below by two rigid metal plates with a plain woven fabric woven with 50th cotton yarn on the surface. (The lower metal plate is fixed to the base.) A vertical load of 3.2 N is applied from the top, and the upper metal plate remains in a state where it does not slip between the cotton cloth on the surface of the metal plate and the piezoelectric element. Was pulled in the longitudinal direction of the piezoelectric element over 1 second from 0N to 1N load, and then the shearing operation for returning the tensile load to 0N over 1 second was repeated 10 times.

(5−5)押圧試験
株式会社オリエンテック製万能試験機「テンシロンRTC−1225A」を用い、水平で剛直な金属台上に静置した圧電素子の中央部64mmの長さの部分を、上部のクロスヘッドに設置された剛直な金属板により水平に圧電素子を挟み、圧電素子から上部の金属板への反力が0.01Nから20Nとなるまで0.6秒かけて上部のクロスヘッドを下げて押圧し、反力が0.01Nとなるまで0.6秒かけて除圧する動作を10回繰り返した。
(5-5) Press test Using a universal testing machine "Tensilon RTC-1225A" manufactured by Orientec Co., Ltd., the portion of the length of the central part 64 mm of the piezoelectric element placed on a horizontal and rigid metal base is The piezoelectric element is sandwiched horizontally by a rigid metal plate installed on the crosshead, and the upper crosshead is lowered over 0.6 seconds until the reaction force from the piezoelectric element to the upper metal plate becomes 0.01N to 20N. Then, the operation of depressurizing over 0.6 seconds until the reaction force became 0.01 N was repeated 10 times.

(組紐状圧電素子)
(実施例1)
実施例1の試料として、図3に示すように、導電性繊維CF1を芯糸とし、8打ち丸組紐製紐機の8本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる4本のキャリアに上記の圧電性繊維PF1をセットし、S撚り方向に組まれる4本のキャリアに上記の絶縁性繊維IF1をセットして組むことで、芯糸の周りにZ撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子1を作成した。組紐状圧電素子のRi、Ro、HPを測定し、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。RiおよびRoは、断面において圧電性繊維と絶縁性繊維が存在する領域を合わせて圧電性構造体の占める領域として測定した。組紐状圧電素子については以下の実施例も同様である。
組紐状圧電素子1を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、周辺をシールドする金網をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験時の電流値を表2に示す。
(Braided piezoelectric element)
(Example 1)
As a sample of Example 1, as shown in FIG. 3, the conductive fiber CF1 is used as the core yarn, and among the eight carriers of the 8-punch round braid stringing machine, the above four carriers are assembled in the Z twist direction. The piezoelectric fiber PF1 is spirally formed around the core yarn by setting the insulating fiber IF1 on the four carriers assembled in the S twist direction. A braided piezoelectric element 1 wound around was prepared. The Ri, Ro, and HP of the braided piezoelectric element were measured, and the calculated values of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis and the values of T1 / T2 are shown in Table 2. Ri and Ro were measured as the area occupied by the piezoelectric structure by combining the areas where the piezoelectric fibers and the insulating fibers exist in the cross section. The same applies to the braided piezoelectric element in the following examples.
The braided piezoelectric element 1 was cut to a length of 15 cm, the core conductive fiber was connected to an electrometer (Keysight B2987A) with the wire mesh shielding the periphery as the Hi electrode, and the current value was monitored. Table 2 shows current values in the tensile test, torsion test, bending test, shear test, and pressing test.

(実施例2)
組紐状圧電素子1を芯糸とし、製紐機の8本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる4本のキャリアおよびS撚り方向に組まれる4本のキャリア全てに上記の導電性繊維CF2をセットして組むことで、組紐状圧電素子1の周りを導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子2とした。組紐状圧電素子のRi、Ro、HPを測定し、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。
組紐状圧電素子2を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験時、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験の電流値を表2に示す。
(Example 2)
The braided piezoelectric element 1 is used as a core yarn, and among the eight carriers of the string making machine, all of the four carriers assembled in the Z twist direction and the four carriers assembled in the S twist direction are filled with the conductive fiber CF2. The braided piezoelectric element 2 was manufactured by covering the braided piezoelectric element 1 with conductive fibers. The Ri, Ro, and HP of the braided piezoelectric element were measured, and the calculated values of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis and the values of T1 / T2 are shown in Table 2.
The braided piezoelectric element 2 was cut to a length of 15 cm, the core conductive fiber was set as the Hi pole, and the sheath conductive fiber was set as the Lo pole and connected to an electrometer (Keysight B2987A), and the current value was monitored. Table 2 shows the current values of the torsion test, bending test, shear test, and pressing test during the tensile test.

(実施例3、4)
PF1の巻付け速度を変更した以外は組紐状圧電素子1と同様にして、2本の組紐状圧電素子を作成し、これらの組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子2と同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子3および4とした。組紐状圧電素子3および4のRi、Ro、HPを測定し、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。
組紐状圧電素子3および4をそれぞれ15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験時、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験の電流値を表2に示す。
(Examples 3 and 4)
Except for changing the winding speed of the PF 1, two braided piezoelectric elements are prepared in the same manner as the braided piezoelectric element 1, and these braided piezoelectric elements are used as core yarns, similarly to the braided piezoelectric element 2. What was covered with the conductive fiber was produced, and the braided piezoelectric elements 3 and 4 were obtained. The Ri, Ro, and HP of the braided piezoelectric elements 3 and 4 are measured, and the calculated values of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis and the values of T1 / T2 are shown in Table 2.
The braided piezoelectric elements 3 and 4 are each cut to a length of 15 cm, and connected to an electrometer (Keysight B2987A) with the core conductive fiber as the Hi pole and the sheath conductive fiber as the Lo pole. Monitored. Table 2 shows the current values of the torsion test, bending test, shear test, and pressing test during the tensile test.

(実施例5〜8)
製紐機の8本のキャリアのうち、表2の通りZ撚り方向およびS撚り方向に組まれるキャリアにそれぞれPF1あるいはIF1をセットして組むことで、芯糸の周りにZ撚り方向およびS撚り方向のそれぞれに所定の割合で圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子を作成し、これらの組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子2と同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子5〜8とした。組紐状圧電素子5〜8のRi、Ro、HPを測定し、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。
組紐状圧電素子5〜8をそれぞれ15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験時、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験の電流値を表2に示す。
(Examples 5 to 8)
Among the eight carriers of the string making machine, PF1 or IF1 is set and assembled on the carriers assembled in the Z twist direction and the S twist direction as shown in Table 2, so that the Z twist direction and the S twist around the core yarn. A braided piezoelectric element in which the piezoelectric fibers PF1 are spirally wound at a predetermined ratio in each direction is created, and these braided piezoelectric elements are used as core yarns, and the braided piezoelectric element 2 is made of conductive fibers as in the braided piezoelectric element 2. What was covered was produced and it was set as braided piezoelectric element 5-8. Ri, Ro, and HP of the braided piezoelectric elements 5 to 8 are measured, and the calculated values of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis and the values of T1 / T2 are shown in Table 2.
The braided piezoelectric elements 5 to 8 are each cut to a length of 15 cm, the core conductive fiber is set to Hi pole, and the sheath conductive fiber is set to Lo pole and connected to an electrometer (Keysight B2987A), and the current value is Monitored. Table 2 shows the current values of the torsion test, bending test, shear test, and pressing test during the tensile test.

(実施例9)
PF1の代わりにPF2を使用し、IF1の代わりにIF2を使用し、巻付け速度を調整した以外は組紐状圧電素子1と同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子2と同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子9とした。組紐状圧電素子9のRi、Ro、HPを測定し、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。
組紐状圧電素子9を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験時、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験の電流値を表2に示す。
Example 9
A braided piezoelectric element is created in the same manner as the braided piezoelectric element 1 except that PF2 is used instead of PF1, IF2 is used instead of IF1, and the winding speed is adjusted. A braided piezoelectric element 9 was prepared by forming a thread and covering with conductive fibers in the same manner as the braided piezoelectric element 2. Ri, Ro, and HP of the braided piezoelectric element 9 are measured, and the calculated values of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis and the values of T1 / T2 are shown in Table 2.
The braided piezoelectric element 9 was cut to a length of 15 cm, the core conductive fiber was set as the Hi pole, and the sheath conductive fiber was set as the Lo pole and connected to an electrometer (Keysight B2987A), and the current value was monitored. Table 2 shows the current values of the torsion test, bending test, shear test, and pressing test during the tensile test.

(実施例10)
PF2の代わりにIF2を使用し、IF2の代わりにPF2を使用した以外は組紐状圧電素子1と同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子2と同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子10とした。組紐状圧電素子10のRi、Ro、HPを測定し、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。
組紐状圧電素子10を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験時、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験の電流値を表2に示す。
(Example 10)
A braided piezoelectric element is prepared in the same manner as the braided piezoelectric element 1 except that IF2 is used instead of PF2 and PF2 is used instead of IF2, and the braided piezoelectric element is used as a core yarn. A braided piezoelectric element 10 was prepared by covering with conductive fibers in the same manner as in No. 2. The Ri, Ro, and HP of the braided piezoelectric element 10 are measured, and the calculated values of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis and the values of T1 / T2 are shown in Table 2.
The braided piezoelectric element 10 was cut to a length of 15 cm, the core conductive fiber was set as the Hi pole, and the sheath conductive fiber was set as the Lo pole and connected to an electrometer (Keysight B2987A), and the current value was monitored. Table 2 shows the current values of the torsion test, bending test, shear test, and pressing test during the tensile test.

(実施例11)
CF1を芯糸とし、PF1を芯糸の周りにS撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにIF1をZ撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をS撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をZ撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、芯糸の周りにS撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれ、さらに外側を導電性繊維で覆ったカバリング糸状圧電素子1を作成した。カバリング糸状圧電素子のRi、Roを測定し、HPは製造時の回転数(3000回/m)から求め、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。RiおよびRoは、断面において圧電性繊維が存在する領域を圧電性構造体の占める領域として測定した。カバリング糸状素子については以下の実施例も同様である。
カバリング糸状圧電素子1を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、周辺をシールドする鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験時の電流値を表2に示す。
(Example 11)
CF1 is used as a core yarn, PF1 is wound around the core yarn in the S twist direction at a covering number of 3000 times / m, and IF1 is further wound around the outer side at a covering number of 3000 times / m in the Z twist direction. Further, CF2 is wound around the outer side with a covering speed of 3000 times / m in the S twist direction, and further CF2 is wound around the outer side with a covering number of 3000 times / m in the Z twist direction, and the S yarn is twisted around the core yarn. A covering yarn-like piezoelectric element 1 in which the piezoelectric fiber PF1 was spirally wound and the outer side was covered with a conductive fiber was produced. Ri and Ro of the covering yarn-like piezoelectric element are measured, and HP is obtained from the rotation speed (3000 times / m) at the time of manufacture, and the value of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the calculated central axis, and T1 / Table 2 shows the value of T2. Ri and Ro were measured as the area occupied by the piezoelectric structure in the cross-sectional area where the piezoelectric fiber was present. The same applies to the covering yarn-like elements in the following embodiments.
The covering yarn-like piezoelectric element 1 is cut to a length of 15 cm, and the core conductive fiber is connected to an electrometer (Keysight B2987A) as the Hi electrode and the sheath conductive fiber shielding the periphery as the Lo electrode. Was monitored. Table 2 shows current values in the tensile test, torsion test, bending test, shear test, and pressing test.

(比較例1)
PF1の代わりにIF1を使用した以外は組紐状圧電素子1と同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状素子を芯糸とし、組紐状圧電素子2と同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状素子1とした。圧電性高分子を含まないため、θおよびT1/T2の値は測定できない。
組紐状素子1を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験時、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験の電流値を表2に示す。
(Comparative Example 1)
A braided piezoelectric element was prepared in the same manner as the braided piezoelectric element 1 except that IF1 was used instead of PF1, and this braided element was used as a core thread and covered with conductive fibers in the same manner as the braided piezoelectric element 2. A braided element 1 was prepared. Since the piezoelectric polymer is not included, the values of θ and T1 / T2 cannot be measured.
The braided element 1 was cut to a length of 15 cm, the core conductive fiber was set to Hi pole, and the sheath conductive fiber was set to Lo pole and connected to an electrometer (Keysight B2987A), and the current value was monitored. Table 2 shows the current values of the torsion test, bending test, shear test, and pressing test during the tensile test.

(比較例2)
PF1の代わりにIF1を使用した以外はカバリング糸状圧電素子1と同様にしてカバリング糸状素子を作成し、カバリング糸状素子1とした。圧電性高分子を含まないため、θおよびT1/T2の値は測定できない。
カバリング糸状素子1を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験時、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験の電流値を表2に示す。
(Comparative Example 2)
A covering thread-like element was prepared in the same manner as the covering thread-like piezoelectric element 1 except that IF1 was used instead of PF1. Since the piezoelectric polymer is not included, the values of θ and T1 / T2 cannot be measured.
The covering thread-like element 1 was cut to a length of 15 cm, and the electroconductive fiber (Keysight B2987A) was connected with the core conductive fiber as the Hi pole and the sheath conductive fiber as the Lo pole, and the current value was monitored. Table 2 shows the current values of the torsion test, bending test, shear test, and pressing test during the tensile test.

(比較例3)
IF1の代わりにPF1を使用した以外は組紐状圧電素子2と同様にして組紐状圧電素子11を作成した。組紐状圧電素子11のRi、Ro、HPを測定し、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。
組紐状圧電素子11を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験時、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験の電流値を表2に示す。
(Comparative Example 3)
A braided piezoelectric element 11 was prepared in the same manner as the braided piezoelectric element 2 except that PF1 was used instead of IF1. The Ri, Ro, and HP of the braided piezoelectric element 11 are measured, and the calculated values of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis and the values of T1 / T2 are shown in Table 2.
The braided piezoelectric element 11 was cut to a length of 15 cm, the core conductive fiber was set as the Hi pole, and the sheath conductive fiber was set as the Lo pole and connected to an electrometer (Keysight B2987A), and the current value was monitored. Table 2 shows the current values of the torsion test, bending test, shear test, and pressing test during the tensile test.

(比較例4)
IF2の代わりにPF2を使用した以外は組紐状圧電素子9と同様にして組紐状圧電素子12を作成した。組紐状圧電素子12のRi、Ro、HPを測定し、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。
組紐状圧電素子12を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験時、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験の電流値を表2に示す。
(Comparative Example 4)
A braided piezoelectric element 12 was prepared in the same manner as the braided piezoelectric element 9 except that PF2 was used instead of IF2. Ri, Ro, and HP of the braided piezoelectric element 12 are measured, and the calculated values of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis and the values of T1 / T2 are shown in Table 2.
The braided piezoelectric element 12 was cut to a length of 15 cm, and the current value was monitored by connecting the core conductive fiber as a Hi pole and the sheath conductive fiber as a Lo pole to an electrometer (Keysight B2987A). Table 2 shows the current values of the torsion test, bending test, shear test, and pressing test during the tensile test.

(比較例5)
導電性繊維CF1を芯糸とし、16打ち丸組紐製紐機の16本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる8本のキャリアに上記の圧電性繊維PF1をセットし、S撚り方向に組まれる8本のキャリアに上記の絶縁性繊維IF1をセットして組むことで、芯糸の周りにZ撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子13を作成した。組紐状圧電素子13のRi、Roを測定し、HPは製造時の回転数(100回/m)から求め、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。
組紐状圧電素子13を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、周辺をシールドする鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験時の電流値を表2に示す。
(Comparative Example 5)
Using the conductive fiber CF1 as the core yarn, among the 16 carriers of the 16 punched braided cord making machine, the piezoelectric fiber PF1 is set on 8 carriers assembled in the Z twist direction and assembled in the S twist direction. The braided piezoelectric element 13 in which the piezoelectric fiber PF1 was spirally wound around the core yarn in the Z twist direction was assembled by setting and assembling the above insulating fibers IF1 on the eight carriers. Ri and Ro of the braided piezoelectric element 13 are measured, and HP is obtained from the number of rotations (100 times / m) at the time of manufacture, and the calculated value of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis, and T1 Table 2 shows the value of / T2.
The braided piezoelectric element 13 is cut to a length of 15 cm, the core conductive fiber is connected to an electrometer (Keysight B2987A) as the Hi electrode, and the sheath conductive fiber shielding the periphery is connected to the Lo electrode. Was monitored. Table 2 shows current values in the tensile test, torsion test, bending test, shear test, and pressing test.

(比較例6)
CF1を芯糸とし、PF1を芯糸の周りにS撚り方向に6000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにIF1をZ撚り方向に6000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をS撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をZ撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、芯糸の周りにS撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれ、さらに外側を導電性繊維で覆ったカバリング糸状圧電素子2を作成した。カバリング糸状圧電素子2のRi、Roを測定し、HPは製造時の回転数(6000回/m)から求め、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびT1/T2の値を表2に示す。 カバリング糸状圧電素子2を15cmの長さに切断し、芯の導電性繊維をHi極とし、周辺をシールドする鞘の導電性繊維をLo極としてエレクトロメータ(Keysight社 B2987A)に接続し、電流値をモニタした。引張試験、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験時の電流値を表2に示す。
(Comparative Example 6)
CF1 is used as a core yarn, PF1 is wound around the core yarn in the S twist direction at a covering number of 6000 times / m, and IF1 is further wound around the outer side at a covering number of 6000 times / m in the Z twist direction. Further, CF2 is wound around the outer side with a covering speed of 3000 times / m in the S twist direction, and further CF2 is wound around the outer side with a covering number of 3000 times / m in the Z twist direction, and the S yarn is twisted around the core yarn. A covering thread-like piezoelectric element 2 in which the piezoelectric fiber PF1 was spirally wound and the outer side was covered with a conductive fiber was produced. Ri and Ro of the covering yarn-like piezoelectric element 2 are measured, HP is obtained from the number of rotations (6000 times / m) at the time of manufacture, the value of the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis, and T1 Table 2 shows the value of / T2. The covering yarn-like piezoelectric element 2 is cut into a length of 15 cm, the core conductive fiber is set as the Hi pole, and the sheath conductive fiber shielding the periphery is connected as the Lo pole to the electrometer (Keysight B2987A), and the current value Was monitored. Table 2 shows current values in the tensile test, torsion test, bending test, shear test, and pressing test.

表2の結果から、中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θが15°以上75°以下であり、T1/T2の値が0以上0.8以下であるとき、引張動作に対し大きな信号を発生し、引張以外の動作には大きな信号を発生せず、引張動作に選択的に応答する素子であることが分かる。また実施例9と10とを比べると、Z撚り方向に多く圧電性繊維を巻いた場合と、S撚り方向に多く圧電性繊維を巻いた場合とを比べると、引張試験時の信号の極性が逆となっており、巻き方向が信号の極性に対応していることが分かる。
さらに、表には示していないが、実施例1〜11の素子は引張荷重を与えた時の信号と、引張荷重を除いた時の信号とを比べると、極性が互いに逆で絶対値が概ね同じ信号を発生したため、これらの素子は引張荷重や変位の定量に適していることが分かる。一方、比較例3および4の素子は引張荷重を与えた時の信号と、引張荷重を除いた時の信号とを比べると、極性が互いに逆である場合も同じである場合もあったため、これらの素子は引張荷重や変位の定量に適していないことが分かる。
また、表には示していないが、実施例2の引張試験時のノイズレベルは、実施例1の引張試験時のノイズレベルより低く、圧電性構造体の外側に導電体を配置してシールドとした素子ではノイズを低減できることが分かる。
From the results of Table 2, when the orientation angle θ of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis is 15 ° or more and 75 ° or less and the value of T1 / T2 is 0 or more and 0.8 or less, it is large for the tensile operation. It can be seen that the device generates a signal and does not generate a large signal for an operation other than pulling, and selectively responds to the pulling operation. In addition, comparing Example 9 and Example 10, comparing the case where many piezoelectric fibers are wound in the Z twist direction and the case where many piezoelectric fibers are wound in the S twist direction, the signal polarity during the tensile test is It can be seen that the winding direction corresponds to the polarity of the signal.
Further, although not shown in the table, the elements of Examples 1 to 11 have a polarity opposite to each other and an absolute value approximately when the signal when the tensile load is applied is compared with the signal when the tensile load is removed. Since the same signal was generated, it can be seen that these elements are suitable for quantitative determination of tensile load and displacement. On the other hand, when the signals of the comparative examples 3 and 4 were compared with the signal when the tensile load was applied and the signal when the tensile load was removed, the polarity may be the opposite or the same. It can be seen that this element is not suitable for quantitative determination of tensile load and displacement.
Although not shown in the table, the noise level during the tensile test of Example 2 is lower than the noise level during the tensile test of Example 1, and a conductor is disposed outside the piezoelectric structure to provide a shield. It can be seen that noise can be reduced with the device.

1 圧電性構造体
1−1 円筒形の圧電性構造体
1−2 円柱形の圧電性構造体
2 圧電性高分子
CL 中心軸
OL 配向方向
HP らせんピッチ
A 圧電性繊維
B 導電性繊維
11 組紐状圧電素子
12 鞘部
13 芯部
15 布帛状圧電素子
16 布帛
17 絶縁性繊維
18 導電性繊維
110 デバイス
111 圧電素子
112 増幅手段
113 出力手段
114 送信手段
CL 繊維軸
α 巻きつけ角度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric structure 1-1 Cylindrical piezoelectric structure 1-2 Cylindrical piezoelectric structure 2 Piezoelectric polymer CL Central axis OL Orientation direction HP Spiral pitch A Piezoelectric fiber B Conductive fiber 11 Braid shape Piezoelectric element 12 Sheath part 13 Core part 15 Fabric-like piezoelectric element 16 Fabric 17 Insulating fiber 18 Conductive fiber 110 Device 111 Piezoelectric element 112 Amplifying means 113 Output means 114 Transmitting means CL Fiber axis α Wound angle

Claims (12)

配向した圧電性高分子を円筒形または円柱形に配置した構造体であり、圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形の中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度が15°以上75°以下であり、圧電性高分子は配向軸を3軸とした時の圧電定数d14の絶対値が0.1pC/N以上1000pC/N以下の値を有する結晶性高分子を主成分として含み、さらに前記圧電性高分子は、圧電定数d14の値が正の結晶性高分子を主成分として含むP体と、負の結晶性高分子を主成分として含むN体とを含み、該構造体の中心軸が1cmの長さを持つ部分について、配向軸がZ撚り方向にらせんを巻いて配置された該P体の質量をZP、配向軸がS撚り方向にらせんを巻いて配置された該P体の質量をSP、配向軸がZ撚り方向にらせんを巻いて配置された該N体の質量をZN、配向軸がS撚り方向にらせんを巻いて配置された該N体の質量をSN、とし、(ZP+SN)と(SP+ZN)とのうち小さい方をT1、大きい方をT2としたとき、T1/T2の値が0以上0.8以下である、構造体。   A structure in which oriented piezoelectric polymers are arranged in a cylindrical or cylindrical shape, and the orientation angle of the piezoelectric polymer with respect to the direction of the central axis of the cylindrical or cylindrical shape in which the piezoelectric polymers are arranged is 15 ° or more. The piezoelectric polymer is 75 ° or less, and the piezoelectric polymer contains, as a main component, a crystalline polymer having an absolute value of the piezoelectric constant d14 of 0.1 pC / N or more and 1000 pC / N or less when the orientation axes are three axes. Further, the piezoelectric polymer includes a P body including a crystalline polymer having a positive piezoelectric constant d14 as a main component and an N body including a negative crystalline polymer as a main component, and the structure. For the portion having the central axis of 1 cm in length, the orientation axis is ZP, and the orientation axis is arranged by winding the spiral in the S twist direction. P body mass is SP, orientation axis is spiraled in Z twist direction The mass of the N-body arranged in this manner is ZN, the mass of the N-body arranged with the orientation axis wound in the S twist direction is SN, and the smaller one of (ZP + SN) and (SP + ZN) is T1 A structure whose value of T1 / T2 is 0 or more and 0.8 or less, where T2 is the larger one. 前記圧電性高分子はポリ−L−乳酸またはポリ−D−乳酸を主成分として含む、請求項1に記載の構造体。   The structure according to claim 1, wherein the piezoelectric polymer includes poly-L-lactic acid or poly-D-lactic acid as a main component. 前記圧電性高分子は、ポリ−D−乳酸を主成分として含むP体と、ポリ−L−乳酸を主成分として含むN体とを含む、請求項2に記載の構造体。   The structure according to claim 2, wherein the piezoelectric polymer includes a P body containing poly-D-lactic acid as a main component and an N body containing poly-L-lactic acid as a main component. 前記圧電性高分子が配置された円筒形または円柱形の中心軸の方向に伸縮変形が与えられた時、該円筒形または円柱形の中心軸側と外側とに逆極性の電荷が発生する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の構造体。   When stretching deformation is applied in the direction of the central axis of the cylindrical or columnar shape in which the piezoelectric polymer is disposed, charges having opposite polarities are generated on the central axis side and the outside of the cylindrical or columnar shape, The structure according to any one of claims 1 to 3. 前記圧電性高分子は繊維状、フィラメント状またはテープ状のものが、組紐状、撚り紐状、カバリング糸状または引き揃え糸状にされて構成されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の構造体。   5. The piezoelectric polymer according to claim 1, wherein the piezoelectric polymer is formed into a fiber, filament, or tape shape in a braided shape, a twisted cord shape, a covering yarn shape, or an aligned yarn shape. The structure described. 前記圧電性高分子は円筒形または円柱形の中心軸に垂直な断面において1つの閉領域のみを構成している、請求項1〜4のいずれか1項に記載の構造体。   The structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the piezoelectric polymer constitutes only one closed region in a cross section perpendicular to a cylindrical or columnar central axis. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の構造体と、前記構造体に隣接して配置された導電体と、を備える素子。   An element comprising the structure according to claim 1 and a conductor disposed adjacent to the structure. 前記圧電性高分子が円筒形に配置されており、該円筒形の中心軸の位置に前記導電体を配置した、請求項7に記載の素子。    The element according to claim 7, wherein the piezoelectric polymer is disposed in a cylindrical shape, and the conductor is disposed at a position of a central axis of the cylindrical shape. 前記導電体が導電性繊維からなり、前記圧電性高分子は圧電性繊維として前記導電性繊維の周りに組紐状に組まれて配置される、請求項8に記載の素子。   The element according to claim 8, wherein the conductor is made of a conductive fiber, and the piezoelectric polymer is arranged in a braid shape around the conductive fiber as a piezoelectric fiber. 前記圧電性高分子が配置された円筒形の外側に前記導電体を配置した、請求項7〜9のいずれか1項に記載の素子。   The element of any one of Claims 7-9 which has arrange | positioned the said conductor on the outer side of the cylinder shape in which the said piezoelectric polymer is arrange | positioned. 前記導電体は導電性繊維からなり、前記圧電性高分子が配置された円筒形の周りに前記導電性繊維が組紐状に組まれて配置される、請求項10に記載の素子。   The element according to claim 10, wherein the conductor is made of a conductive fiber, and the conductive fiber is arranged in a braid shape around a cylindrical shape in which the piezoelectric polymer is arranged. 請求項7〜11のいずれか1項に記載の素子と、
圧電性高分子が配置された円筒形の中心軸の方向に伸縮変形が与えられた時に発生する電荷に応じて、前記導電体にて発生する電気信号が出力される出力端子と、
前記出力端子を介して出力される電気信号を検出する電気回路と、を備えるセンサー。
The device according to any one of claims 7 to 11,
An output terminal for outputting an electric signal generated in the conductor in response to an electric charge generated when the elastic deformation is given in the direction of the central axis of the cylindrical shape in which the piezoelectric polymer is disposed;
And an electric circuit for detecting an electric signal output via the output terminal.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3514269B1 (en) * 2016-09-14 2022-04-13 Kureha Corporation Vinylidene fluoride resin fibers and sheet-like structure
CN118461199A (en) * 2024-05-10 2024-08-09 现代纺织技术创新中心(鉴湖实验室) Spiral sheath-core structure carbon-based yarn, preparation method thereof and wet gas power generation application

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002102186A (en) * 2000-09-29 2002-04-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Biological information detection device
WO2010104196A1 (en) * 2009-03-13 2010-09-16 三井化学株式会社 Piezoelectric polymer material, process for producing same, and piezoelectric element
WO2014058077A1 (en) * 2012-10-12 2014-04-17 帝人株式会社 Piezoelectric element
JP2017120885A (en) * 2015-12-28 2017-07-06 帝人株式会社 Cloth-like piezoelectric element having plural braid-like piezoelectric elements and device using them

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002102186A (en) * 2000-09-29 2002-04-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Biological information detection device
WO2010104196A1 (en) * 2009-03-13 2010-09-16 三井化学株式会社 Piezoelectric polymer material, process for producing same, and piezoelectric element
WO2014058077A1 (en) * 2012-10-12 2014-04-17 帝人株式会社 Piezoelectric element
JP2017120885A (en) * 2015-12-28 2017-07-06 帝人株式会社 Cloth-like piezoelectric element having plural braid-like piezoelectric elements and device using them

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3514269B1 (en) * 2016-09-14 2022-04-13 Kureha Corporation Vinylidene fluoride resin fibers and sheet-like structure
CN118461199A (en) * 2024-05-10 2024-08-09 现代纺织技术创新中心(鉴湖实验室) Spiral sheath-core structure carbon-based yarn, preparation method thereof and wet gas power generation application

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